En Carnegie-ledd undersökning av exoplanetkandidater som identifierats av NASA:s Transiting Exoplanets Satellite Survey (TESS) lägger grunden för att hjälpa astronomer att förstå hur Vintergatans vanligaste planeter bildades och utvecklades, och avgöra varför vårt solsystems mönster av planetbanor och storlekar är så ovanligt.

Carnegies Johanna Teske, Tsinghua Universitys Sharon Wang (tidigare Carnegie), och Angie Wolfgang (tidigare från Penn State University och nu på SiteZeus), ledde Magellan-TESS Survey (MTS), som är halvvägs genom sin planerade treåriga löptid. Deras resultat i mitten av undersökningen, i samarbete med ett stort, internationell grupp av forskare, kommer att publiceras i Astrophysical Journal Supplement Series .

NASA:s Kepler-uppdrag avslöjade att vår galax vimlar av planeter – upptäcker tusentals bekräftade världar och förutsäger att det finns miljarder till. En av överraskningarna i denna belöning är att exoplaneter mellan jordens storlek och Neptunus är de vanligaste upptäckta hittills, trots att det inte finns några i vårt eget solsystem. Dessa "mellan" planeter verkar komma i två distinkta storlekar - ungefär en till 1,7 (superjordar) och ungefär två till tre (mini-Neptunes) gånger jordens storlek - vilket indikerar olika gasinnehåll i deras sammansättning.

"Vi vill förstå om superjordar och mini-Neptunus var olika från deras tidigaste ursprung, eller om någon aspekt av deras utveckling fick dem att avvika från varandra, Teske förklarade. "På sätt och vis, vi hoppas kunna undersöka naturvårdsfrågan för galaxens vanligaste exoplaneter – föddes dessa planeter annorlunda, eller skilde de sig på grund av sin miljö? Eller är det något mittemellan?"

Undersökningen använder TESS-data och observationer från Magellan-teleskopen vid Carnegies Las Campanas-observatorium i Chile för att studera ett urval av 30 små, planetkandidater med relativt kort period. TESS-data visar sänkningar i ljusstyrka när ett objekt passerar framför sin värdstjärna. Mängden dimning gör att undersökningsteamet kan mäta radien för en planetkandidat. Denna information kombineras med observationer som samlats in av Planet Finder Spectrograph vid Las Campanas som fungerar genom att använda en teknik som kallas den radiella hastighetsmetoden, vilket för närvarande är det vanligaste sättet för astronomer att mäta massorna av enskilda planeter.

Magellan-TESS-undersökningsteamet är intresserade av samspelet mellan nyckelvariabler som kan hjälpa astronomer att bättre karakterisera bildningsvägarna för superjorden och mini-Neptunus planeter. De letar efter trender i förhållandet mellan en planets massa och dess radie; egenskaperna hos dess värdstjärna, inklusive sammansättning och mängden energi den strålar ut på planeten; och arkitekturen hos det planetsystem som planeten är medlem av.

"Det underliggande förhållandet mellan radie och massa för dessa små planeter är avgörande för att ta reda på deras allmänna sammansättning, genom sin totala täthet, samt hur mycket variation det finns i deras kompositioner, ", förklarade Wolfgang. "Att kvantifiera denna relation kommer att hjälpa oss att urskilja om det finns en formationsväg eller flera vägar."

Det som skiljer den här undersökningen från tidigare arbete är dess omfattning – teamet utformade undersökningen från början för att försöka ta hänsyn till fördomar som kan förvränga hur resultaten tolkas i ett bredare sammanhang. Deras mål är att kunna dra robusta slutsatser om superjordar och mini-Neptunus planeter som en befolkning, kontra bara en samling av 30 enskilda föremål.

Resultaten i mitten av undersökningen, som representerar ett betydande bidrag till antalet små planeter med kända massor och radier, antyder redan bevis för små observationsselektionsbiaser som kan ha påverkat forskarnas arbete med massmätningar. MTS skulle således kunna utgöra ett viktigt ramverk för framtida studier av radiella hastigheter av planeter i transit.

Ser fram emot, nästa halva av undersökningen kommer att fokusera på att slutföra provet – det här dokumentet innehåller 22 av de planerade 30 kandidaterna – samt att fortsätta att övervaka alla system för längre perioder som inte upptäckts av TESS för att undersöka systemarkitekturer. Att kontrollera inverkan av värdstjärnans sammansättning är ytterligare ett steg, sedan tidigare arbeten har föreslagit att planeternas sammansättning kan vara relaterad till de av stjärnorna de kretsar kring.

"Vi hoppas att att få denna flerdimensionella förståelse avsevärt kommer att förbättra vår kunskap om exoplaneternas evolution, och kanske förklara varför vårt eget solsystem verkar ovanligt, " avslutade Wang.