Nowe badania odkrywają czwartą planetę w układzie Kepler-51, zmieniając nasze rozumienie tego wyjątkowego układu z trzema znanymi „superpuffowymi” planetami o bardzo niskiej gęstości.
Naukowcy wykorzystali szereg teleskopów, m.in NASA’S Kosmiczny Teleskop Jamesa Webbaaby wykryć nieoczekiwane zmiany w czasie tranzytu, które sugerowały obecność dodatkowej planety. Odkrycie to zwiększa złożoność dynamiki układu i stawia nowe pytania dotyczące powstawania i charakterystyki tych rzadkich planet superpuffowych.
Nowa planeta odkryta w układzie Kepler-51
Zespół naukowców z Penn State i Uniwersytetu w Osace odkrył, że niezwykły układ planetarny, znany z trzech „superpuffów” planet o bardzo małej gęstości, zawiera co najmniej jeszcze jedną planetę. Obserwując Kepler-51d, trzecią planetę w układzie, za pomocą należącego do NASA Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST), zespół napotkał niespodziankę: planeta przeszła przez swoją gwiazdę dwie godziny wcześniej, niż przewidywały istniejące modele.
Aby rozwiązać zagadkę, naukowcy przeanalizowali zarówno nowe, jak i archiwalne dane z szeregu teleskopów kosmicznych i naziemnych. Ich badanie doprowadziło do przekonującego wyjaśnienia: niewykrytej wcześniej czwartej planety, której wpływ grawitacyjny wpływa na orbity pozostałych planet w układzie.
To przełomowe odkrycie opisano szczegółowo w artykule opublikowanym 3 grudnia w czasopiśmie „ Dziennik astronomiczny.
Charakterystyka planet Super Puff
„Planety superpuchowe są bardzo niezwykłe, ponieważ mają bardzo małą masę i niską gęstość” – powiedziała Jessica Libby-Roberts, stażystka podoktorska Center for Exoplanets and Habitable Worlds w Penn State i współautorka artykułu. „Trzy znane wcześniej planety krążące wokół gwiazdy Kepler-51 mają rozmiary mniej więcej Saturn ale tylko kilka razy większa od masy Ziemi, co daje gęstość jak wata cukrowa. Uważamy, że mają maleńkie jądra i ogromne atmosfery złożone z wodoru i helu, ale to, w jaki sposób powstały te dziwne planety i jak ich atmosfery nie zostały zdmuchnięte przez intensywne promieniowanie ich młodej gwiazdy, pozostaje tajemnicą. Planowaliśmy wykorzystać JWST do zbadania jednej z tych planet i uzyskania odpowiedzi na te pytania, ale teraz musimy wyjaśnić czwartą planetę o małej masie w układzie!”
Kiedy planeta przechodzi przed swoją gwiazdą lub przechodzi przez nią, patrząc z Ziemi, blokuje część światła gwiazdy, powodując nieznaczny spadek jej jasności. Czas trwania i wielkość tego spadku dają wskazówki co do wielkości planety i innych cech. Planety przelatują, gdy kończą orbitę wokół swojej gwiazdy, ale czasami przechodzą kilka minut wcześniej lub później, ponieważ przyciąga je grawitacja innych planet w układzie. Te drobne różnice nazywane są zmianami w czasie tranzytu i są wbudowane w modele astronomów, aby umożliwić im dokładne przewidywanie tranzytu planet.
Wyzwania odkrywcze i strategie obserwacyjne
Naukowcy stwierdzili, że nie mają powodu sądzić, że trzyplanetarny model układu Kepler-51 jest niedokładny i z powodzeniem wykorzystali ten model do przewidywania czasu przelotu Kepler-51b w maju 2023 r., po czym skontaktowali się z Obserwatorium Apache Point ( APO), aby obserwować go zgodnie z harmonogramem.
„Próbowaliśmy także użyć teleskopu Davey Lab w Penn State do obserwacji tranzytu Keplera-51d w 2022 r., ale niektóre chmury o złym czasie zasłoniły nam widok w momencie przewidywanego rozpoczęcia tranzytu” – powiedziała Libby-Roberts. „Możliwe, że wtedy dowiedzieliśmy się, że coś jest nie tak, ale nie mieliśmy powodu podejrzewać, że Kepler-51d nie przeleci zgodnie z oczekiwaniami, kiedy planowaliśmy obserwować go za pomocą JWST”.
Model trzech planet opracowany przez zespół przewidywał, że Kepler-51d przeleci około 2 w nocy EDT w czerwcu 2023 r., a badacze przygotowali się do obserwacji zdarzenia zarówno za pomocą JWST, jak i APO.
„Dzięki Bogu, zaczęliśmy obserwacje kilka godzin wcześniej, aby ustalić punkt odniesienia, ponieważ wybiła 2 w nocy, potem 3 w nocy, a wciąż nie zaobserwowaliśmy zmiany jasności gwiazdy za pomocą APO” – powiedziała Libby-Roberts. „Po gorączkowym ponownym uruchomieniu naszych modeli i przeanalizowaniu danych, natychmiast po rozpoczęciu obserwacji za pomocą APO odkryliśmy niewielki spadek jasności gwiazd, co ostatecznie oznaczało początek tranzytu – 2 godziny wcześniej, czyli znacznie dłużej niż 15 minut okno niepewności z naszych modeli!”
Implikacje czwartej planety
Kiedy naukowcy przeanalizowali nowe dane APO i JWST, potwierdzili, że uchwycili tranzyt Keplera-51d, aczkolwiek znacznie wcześniej niż oczekiwano.
„Byliśmy naprawdę zaskoczeni wczesnym pojawieniem się Keplera-51d i żadne precyzyjne dostrojenie modelu trzech planet nie mogło wyjaśnić tak dużej rozbieżności” – powiedział Kento Masuda, profesor nadzwyczajny nauk o Ziemi i kosmosie na Uniwersytecie w Osace współpierwszy autor artykułu. „Dopiero dodanie czwartej planety wyjaśniło tę różnicę. To pierwsza planeta odkryta na podstawie zmian czasu tranzytu za pomocą JWST.”
Aby pomóc wyjaśnić, co dzieje się w układzie Kepler-51, zespół badawczy ponownie przejrzał poprzednie dane dotyczące tranzytu z należącego do NASA teleskopu kosmicznego Kepler i satelity NASA Transiting Exoplanet Survey (TESS). Dokonali także nowych obserwacji planet wewnętrznych układu, m.in Kosmiczny Teleskop Hubble’a oraz teleskop Obserwatorium Palomar w Kalifornijskim Instytucie Technologicznym i uzyskał dane archiwalne z kilku teleskopów naziemnych. Ponieważ nie zaobserwowano jeszcze tranzytu nowej planety Kepler-51e – być może dlatego, że może nie przejść w linii wzroku między swoją gwiazdą a Ziemią – badacze zauważyli, jak ważne było uzyskanie jak największej ilości danych na poparcie ich nowe modele.
„Przeprowadziliśmy tak zwane poszukiwania metodą brute-force, testując wiele różnych kombinacji właściwości planet, aby znaleźć model czterech planet, który wyjaśnia wszystkie dane dotyczące tranzytów zebrane w ciągu ostatnich 14 lat” – powiedział Masuda. „Odkryliśmy, że sygnał najlepiej wytłumaczyć, jeśli Kepler-51e ma masę podobną do pozostałych trzech planet i krąży po dość kołowej orbicie trwającej około 264 dni – czegoś, czego moglibyśmy się spodziewać na podstawie innych układów planetarnych. Inne możliwe rozwiązania, które znaleźliśmy, obejmują masywniejszą planetę na szerszej orbicie, choć naszym zdaniem są one mniej prawdopodobne.”
Uwzględnienie czwartej planety i dostosowanie modeli zmienia również oczekiwane masy pozostałych planet w układzie. Według naukowców wpływa to na inne wywnioskowane właściwości tych planet i informuje, w jaki sposób mogły one powstać. Chociaż trzy wewnętrzne planety są nieco masywniejsze, niż wcześniej sądzono, nadal klasyfikuje się je jako superpuffy. Nie jest jednak jasne, czy Kepler-51e jest również planetą superpuffową, ponieważ badacze nie zaobserwowali tranzytu Kepler-51e i dlatego nie mogą obliczyć jego promienia ani gęstości.
„Planety superpuchowe są dość rzadkie, a jeśli już się pojawią, to zazwyczaj są jedynymi w układzie planetarnym” – powiedziała Libby-Roberts. „Jeśli próba wyjaśnienia, w jaki sposób trzy super obłoki utworzyły się w jednym układzie, nie była wystarczająco trudna, teraz musimy wyjaśnić czwartą planetę, niezależnie od tego, czy jest to super obłok, czy nie. Nie możemy też wykluczyć dodatkowych planet w układzie.”
Ponieważ naukowcy uważają, że orbita Keplera-51e wynosi 264 dni, stwierdzili, że potrzebny jest dodatkowy czas obserwacji, aby uzyskać lepszy obraz wpływu jej grawitacji – lub dodatkowych planet – na trzy wewnętrzne planety układu.
„Kepler-51e ma orbitę nieco większą niż Wenus i znajduje się tuż w ekosferze gwiazdy, więc poza tą odległością może wydarzyć się znacznie więcej, jeśli poświęcimy czas na przyjrzenie się” – stwierdziła Libby-Roberts. „Dalsze przyglądanie się zmianom w czasie tranzytu może pomóc nam odkryć planety położone dalej od swoich gwiazd i może pomóc w poszukiwaniu planet, na których potencjalnie może istnieć życie”.
Naukowcy analizują obecnie resztę danych z JWST, które mogą dostarczyć informacji na temat atmosfery Kepler-51d. Badanie składu i innych właściwości trzech wewnętrznych planet może również pomóc w lepszym zrozumieniu procesu formowania się niezwykłych planet superpuffowych o bardzo małej gęstości – twierdzą naukowcy.
Odniesienie: „Czwarta planeta w układzie Kepler-51 ujawniona na podstawie zmian w czasie tranzytu” autorstwa Kento Masuda, Jessica E. Libby-Roberts, John H. Livingston, Kevin B. Stevenson, Peter Gao, Shreyas Vissapragada, Guangwei Fu, Te Han , Michael Greklek-McKeon, Suvrath Mahadevan, Eric Agol, Aaron Bello-Arufe, Zachory Berta-Thompson, Caleb I. Cañas, Yayaati Chachan, Leslie Hebb, Renyu Hu, Yui Kawashima, Heather A. Knutson, Caroline V. Morley, Catriona A. Murray, Kazumasa Ohno, Armen Tokadjian, Xi Zhang, Luis Welbanks, Matthew C. Nixona, Richarda Freedmana, Norio Narity, Akihiko Fukui, Jerome P. de Leon, Mayuko Mori, Enric Palle, Felipe Murgas, Hannu Parviainen, Emma Esparza-Borges, Daniel Jontof-Hutter, Karen A. Collins, Paul Benni, Khalid Barkaoui, Francisco J. Pozuelos, Michaël Gillon, Emmanuël Jehin, Zouhair Benkhaldoun, Suzanne Hawley, Andrea SJ Lin, Guđmundur Stefánsson, Allyson Bieryla, Mesut Yilmaz, Hakan Volkan Senavci, Eric Girardin, Giuseppe Marino i Gavin Wang, 3 grudnia 2024 r., Dziennik astronomiczny.
DOI: 10.3847/1538-3881/ad83d3
Oprócz Libby-Roberts i Masudy, którzy kierowali zespołem Kepler-51d, w skład międzynarodowego zespołu badawczego wchodzi John Livingston z Narodowego Obserwatorium Astronomicznego w Japonii, który koordynował większość naziemnych obserwacji uzupełniających; wielu obserwatorów naziemnych; zespół Kepler-51b; i zespół Palomara. Pełną listę autorów i afiliacji znajdziesz w artykule.
NASA wsparła te badania poprzez granty JWST i Kosmicznego Teleskopu Hubble’a. Obliczenia na potrzeby tego badania przeprowadzono w Instytucie Zaawansowanej CyberInfrastruktury Instytutu Obliczeń i Nauk o Danych Penn State.
