Niezwykle dziwna orbita rzadkiej egzoplanety zdumiewa astronomów

Jakiś egzoplanetaWydłużona, wsteczna orbita zawiera wskazówki dotyczące historii powstawania i przyszłych trajektorii gazowych gigantów o dużej masie.

Astronomowie zaobserwowali egzoplanetę o bardzo ekscentrycznej orbicie wstecznej za pomocą teleskopu WIYN. Ta egzoplaneta, nazwana TIC 241249530 b, może znacznie pogłębić naszą wiedzę na temat powstawania i migracji gorących Jowiszów, które są zazwyczaj większymi gazowymi olbrzymami migrującymi na bardzo bliskie orbity wokół swoich gwiazd.

Odkrycie egzoplanety o ekstremalnej orbicie

Korzystanie z 3,5-metrowego teleskopu WIYN w Obserwatorium Narodowym Kitt Peak National Science Foundation USA, w ramach programu NSF NOIRLabastronomowie odkryli ekstremalną orbitę egzoplanety, która wkrótce stanie się gorąca Jowisz. Ta egzoplaneta nie tylko podąża po jednej z najbardziej drastycznie rozciągniętych orbit wszystkich znanych egzoplanet tranzytowych, ale także okrąża swoją gwiazdę wstecz, dając wgląd w tajemnicę ewolucji gorących Jowiszów.

Obecnie istnieje ponad 5600 potwierdzonych egzoplanet w nieco ponad 4000 układów gwiezdnych. W obrębie tej populacji około 300–500 egzoplanet należy do osobliwej klasy znanej jako gorące Jowisze — duże egzoplanety podobne do Jowisza, które krążą bardzo blisko swoich gwiazd, a niektóre nawet tak blisko Słońca, jak Merkury. To, w jaki sposób gorące Jowisze trafiają na tak bliskie orbity, pozostaje tajemnicą, ale astronomowie postulują, że zaczynają one od orbit odległych od swojej gwiazdy, a następnie z czasem migrują do wewnątrz. Rzadko obserwowano wczesne etapy tego procesu, ale dzięki nowej analizie egzoplanety o niezwykłej orbicie astronomowie są o krok bliżej odkrycia tajemnicy gorącego Jowisza.

Zaawansowane techniki obserwacyjne i ustalenia

Odkrycie tej egzoplanety, nazwanej TIC 241249530 b, nastąpiło w momencie wykrycia przez należący do NASA satelity Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) w styczniu 2020 r. spadku jasności gwiazdy odpowiadającego przejściu pojedynczej planety wielkości Jowisza przed nią lub tranzytowi tej planety. To. Aby potwierdzić naturę tych fluktuacji i wyeliminować inne możliwe przyczyny, zespół astronomów użył dwóch instrumentów na 3,5-metrowym teleskopie WIYN w Narodowym Obserwatorium Kitt Peak (KPNO) amerykańskiej Narodowej Fundacji Naukowej, objętym programem NSF NOIRLab.

Zespół jako pierwszy wykorzystał NASA-ufundowany przez NN-EXPLORE Exoplanet and Stellar Speckle Imager (NESSI) w technice, która pomaga „zamrozić” migotanie atmosfery i wyeliminować wszelkie zewnętrzne źródła, które mogłyby pomylić źródło sygnału. Następnie, korzystając ze spektrografu NEID finansowanego przez NASA, zespół zmierzył prędkość radialną TIC 241249530 b, uważnie obserwując, jak widmo gwiazdy macierzystej lub długości fal emitowanego przez nią światła zmieniały się w wyniku krążenia wokół niej egzoplanety.

Arvind Gupta, badacz ze stopniem doktora w NOIRLab i główny autor artykułu opublikowanego w Natura, pochwalił NESSI i NEID jako kluczowe dla wysiłków zespołu mających na celu scharakteryzowanie i potwierdzenie sygnału egzoplanety. „NESSI umożliwiło nam ostrzejszy obraz gwiazdy, niż byłoby to możliwe w innym przypadku, a NEID precyzyjnie zmierzył widmo gwiazdy, aby wykryć zmiany w odpowiedzi na krążącą wokół niej egzoplanetę” – wyjaśnił Gupta. Gupta szczególnie zwrócił uwagę na wyjątkową elastyczność ram planowania obserwacji NEID, ponieważ umożliwiają one szybkie dostosowywanie planu obserwacji zespołu w odpowiedzi na nowe dane.

„Teleskop WIYN odgrywa kluczową rolę, pomagając nam zrozumieć, dlaczego planety znalezione w innych układach słonecznych mogą tak bardzo różnić się w zależności od układu” – powiedział Chris Davis z NSF, dyrektor programowy NSF NOIRLab. „Współpraca pomiędzy NSF i NASA w ramach programu NN-EXPLORE w dalszym ciągu przynosi imponujące wyniki w badaniach egzoplanet”.

Ta animacja przedstawia orbitę nowo odkrytej egzoplanety podobnej do Jowisza o nazwie TIC 241249530 b, pokazaną w porównaniu z orbitami Merkurego i Ziemi w naszym Układzie Słonecznym. TIC 241249530 b podąża po jednej z najbardziej rozciągniętych orbit spośród wszystkich znanych egzoplanet tranzytowych, a także okrąża swoją gwiazdę macierzystą wstecz, czyli w kierunku przeciwnym do obrotu gwiazdy. Gdyby ta planeta była częścią naszego Układu Słonecznego, jej orbita rozciągałaby się od najbliższego podejścia dziesięć razy bliżej Słońca niż Merkury aż do najdalszego miejsca w odległości Ziemi. Ta ekstremalna orbita spowodowałaby, że temperatury na planecie wahałyby się od letnich dni do wystarczająco wysokich, aby stopić tytan. Źródło: NOIRLab/NSF/AURA/R. Cenzor

Konsekwencje orbit ekscentrycznych i wstecznych

Szczegółowa analiza widma potwierdziła, że ​​egzoplaneta jest około pięć razy masywniejsza od Jowisza. Widmo ujawniło również, że egzoplaneta krąży po niezwykle ekscentrycznej lub rozciągniętej ścieżce. Ekscentryczność orbity planety mierzy się w skali od 0 do 1, gdzie 0 oznacza orbitę idealnie okrągłą, a 1 oznacza orbitę wysoce eliptyczną. Ta egzoplaneta ma mimośród orbity 0,94, co czyni ją bardziej ekscentryczną niż orbita jakiejkolwiek innej egzoplanety, jaką kiedykolwiek odkryto metodą tranzytu [1]. Dla porownania, Plutonwysoce eliptyczna orbita wokół Słońca ma mimośród 0,25; Ekscentryczność Ziemi wynosi 0,02.

Gdyby ta planeta była częścią naszego Układu Słonecznego, jej orbita rozciągałaby się od najbliższego podejścia dziesięć razy bliżej Słońca niż Merkury aż do najdalszego miejsca w odległości Ziemi. Ta ekstremalna orbita spowodowałaby, że temperatury na planecie wahałyby się od letnich dni do wystarczająco wysokich, aby stopić tytan.

Aby dodać do niezwykłego charakteru orbity egzoplanety, zespół odkrył również, że orbituje ona wstecz, czyli w kierunku przeciwnym do obrotu swojej gwiazdy macierzystej. Nie jest to coś, co astronomowie widzą w większości innych egzoplanet ani w naszym Układzie Słonecznym, a to pomaga zespołowi w interpretacji historii powstawania egzoplanet.

Unikalna charakterystyka orbity egzoplanety również wskazuje na jej przyszłą trajektorię. Oczekuje się, że jej początkowa bardzo ekscentryczna orbita i niezwykle bliskie podejście do gwiazdy macierzystej spowodują „kołowość” orbity planety, ponieważ siły pływowe działające na planetę wysysają energię z orbity i powodują jej stopniowe kurczenie się i zataczanie kół. Odkrycie tej egzoplanety przed migracją jest cenne, ponieważ zapewnia kluczowy wgląd w to, jak powstają, stabilizują się i ewoluują gorące Jowisze w czasie.

„Chociaż nie możemy dokładnie przewinąć do tyłu i obejrzeć procesu migracji planet w czasie rzeczywistym, ta egzoplaneta służy jako swego rodzaju migawka procesu migracji” – powiedział Gupta. „Takie planety są niezwykle rzadkie i trudne do znalezienia, więc mamy nadzieję, że pomogą nam rozwikłać historię powstawania gorącego Jowisza”.

Perspektywy na przyszłość i kierunki badań

„Jesteśmy szczególnie zainteresowani tym, czego możemy się dowiedzieć o dynamice atmosfery tej planety po przebyciu przez nią jednego z niezwykle bliskich przejść do swojej gwiazdy” – powiedział Jason Wright, profesor astronomii i astrofizyki w Penn State, który nadzorował projekt, gdy Gupta był doktorant na tej uczelni. „Teleskopy takie jak NASA Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba mają czułość, aby badać zmiany w atmosferze nowo odkrytej egzoplanety w trakcie jej szybkiego nagrzewania, więc zespół ma jeszcze wiele do nauczenia się na temat egzoplanety”.

TIC 241249530 b to dopiero druga egzoplaneta, jaką kiedykolwiek odkryto, która demonstruje fazę przedmigracyjną gorącego Jowisza. Łącznie te dwa przykłady potwierdzają pogląd, że gazowe olbrzymy o większej masie ewoluują, stając się gorącymi Jowiszami, migrując z bardzo ekscentrycznych orbit w stronę węższych, bardziej kołowych orbit.

„Astronomowie od ponad dwudziestu lat szukają egzoplanet, które prawdopodobnie są prekursorami gorących Jowiszów lub są produktami pośrednimi procesu migracji, więc byłem bardzo zaskoczony – i podekscytowany – znalezieniem takiej planety” – powiedział Gupta. „To jest dokładnie to, co miałem nadzieję znaleźć.”

Notatki

1. Znaleziono jedną egzoplanetę o większym mimośrodzie. HD 20782 b ma mimośród 0,956, ale nie jest tranzytem, ​​dlatego nie można określić orientacji jej orbity w porównaniu z gwiazdą macierzystą. Podkreśla to wagę odkrycia TIC 241249530 b, którego charakterystykę orbity można było określić dzięki przejściu przez gwiazdę.

Odniesienie: „Protoplasta gorącego Jowisza na superekscentrycznej orbicie wstecznej”: Arvind F. Gupta, Sarah C. Millholland, Haedam Im, Jiayin Dong, Jonathan M. Jackson, Ilaria Carleo, Jessica Libby-Roberts, Megan Delamer, Mark R. Giovinazzi, Andrea SJ Lin, Shubham Kanodia, Xian-Yu Wang, Keivan Stassun, Thomas Masseron, Diana Dragomir, Suvrath Mahadevan, Jason Wright, Jaime A. Alvarado-Montes, Chad Bender, Cullen H. Blake, Douglas Caldwell, Caleb I. Cañas, William D. Cochran, Paul Dalba, Mark E. Everett, Pipa Fernandez, Eli Golub, Bruno Guillet, Samuel Halverson, Leslie Hebb, Jesus Higuera, Chelsea X. Huang, Jessica Klusmeyer, Rachel Knight, Liouba Leroux, Sarah E. Logsdon, Margaret Loose, Michael W. McElwain, Andrew Monson, Joe P. Ninan, Grzegorz Nowak, Enric Palle, Yatrik Patel, Joshua Pepper, Michael Primm, Jayadev Rajagopal, Paul Robertson, Arpita Roy, Donald P. Schneider, Christian Schwab, Heidi Schweiker, Lauren Sgro, Masao Shimizu, Georges Simard, Guðmundur Stefánsson, Daniel J. Stevens, Steven Villanueva, John Wisniewski, Stefan Will i Carl Ziegler, 17 lipca 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-07688-3