Jakiś egzoplanetaDziwnie wydłużona, wsteczna orbita zawiera wskazówki dotyczące historii powstawania i przyszłych trajektorii gorących Jowiszów.
Astronomowie zidentyfikowali egzoplanetę o najbardziej ekscentrycznej znanej orbicie, charakteryzującej się kształtem przypominającym ogórek i ruchem wstecznym wokół gwiazdy. Odkrycie to daje wgląd w powstawanie i ewolucję gorących Jowiszów. Kluczowe instrumenty, takie jak NEID i TESS odegrały kluczową rolę w obserwacjach tej egzoplanety, co może pomóc w zrozumieniu migracji tych gigantycznych planet gazowych.
Odkrycie wyjątkowej egzoplanety
Naukowcy odkryli planetę o najbardziej podłużnej orbicie, jaką kiedykolwiek znaleziono wśród planet tranzytujących. Skrajny obwód egzoplanety – który bardziej przypomina ogórek niż okrąg – podąża po jednej z najbardziej drastycznie rozciągniętych orbit wszystkich znanych egzoplanet, czyli planet krążących wokół gwiazd poza Układem Słonecznym. Okrąża także swoją gwiazdę wstecz, dając wgląd w tajemnicę tego, jak blisko siebie masywne planety gazowe, znane jako gorące Jowisze, tworzą się, stabilizują i ewoluują w czasie.
Badania prowadzone pod kierunkiem naukowców z Penn State zostały opublikowane 17 lipca w czasopiśmie Natura.
„Uchwyciliśmy tę masywną planetę wykonującą ostry, nawrotowy zakręt podczas bliskiego przelotu do swojej gwiazdy” – powiedział Suvrath Mahadevan, profesor astronomii Verne M. Willaman w Penn State i autor artykułu. „Takie bardzo ekscentryczne planety tranzytowe są niezwykle rzadkie — i to naprawdę niesamowite, że udało nam się odkryć najbardziej ekscentryczną”.
Spostrzeżenia z ekscentryczności orbity
Mahadevan wyjaśnił, że termin „ekscentryczny” odnosi się do kształtu orbity planety, mierzonego w skali od zera do jednego, gdzie zero oznacza orbitę idealnie okrągłą. Ta egzoplaneta, nazwana TIC 241249530, ma mimośród orbity równy 0,94, co czyni ją bardziej ekscentryczną niż orbita jakiejkolwiek innej tranzytowej egzoplanety, jaką kiedykolwiek znaleziono. Dla porównania Plutonwysoce eliptyczna orbita wokół Słońca ma mimośród 0,25; Ekscentryczność Ziemi wynosi 0,02. Mahadevan wyjaśnił, że tak ekstremalna orbita spowodowałaby wahania temperatur na planecie od letniego dnia w najdalszym punkcie jej orbity do niezwykle wysokich w momencie największego zbliżenia.
Aby dodać do niezwykłego charakteru orbity egzoplanety, zespół odkrył również, że orbituje ona do tyłu, 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.
Odkrywanie formacji gorącego Jowisza
„Chociaż nie możemy dokładnie przewinąć do tyłu i obejrzeć procesu migracji planet w czasie rzeczywistym, ta egzoplaneta służy jako swego rodzaju migawka procesu migracji” – Arvind Gupta, NOIRLab w komunikacie NOIRLab poinformowała badaczka ze stopniem doktora i główna autorka artykułu, która prowadziła badania jako doktorantka w Penn State. „Takie planety są trudne do znalezienia i mamy nadzieję, że pomogą nam rozwikłać zagadkę gorąca Jupiter historia formacji.”
Obecnie istnieje ponad 5600 potwierdzonych egzoplanet w nieco ponad 4000 układów gwiezdnych. W obrębie tej populacji około 300 do 500 egzoplanet należy do osobliwej klasy znanej jako gorące Jowisze — duże egzoplanety podobne do Jowisza, krążące bardzo blisko swojej gwiazdy, znacznie bliżej naszego Słońca niż Merkury. To, w jaki sposób gorące Jowisze trafiają na tak bliskie orbity, pozostaje tajemnicą, ale astronomowie podejrzewają, 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.
„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.
Odkrycie i scharakteryzowanie egzoplanety umożliwiły trzy instrumenty zbudowane w Penn State: NASAspektrograf NEID, spektrograf Habitable Zone Planet Finder i dyfuzor fotometryczny. Wszystkie trzy instrumenty pozwalają naukowcom obserwować i analizować światło emitowane przez egzoplanetę.
Rola zaawansowanych instrumentów
Naukowcy po raz pierwszy odkryli tę planetę za pomocą należącego do NASA satelity Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) w styczniu 2020 r., co ujawniło spadek jasności gwiazdy zgodny z przejściem przed gwiazdą pojedynczej planety wielkości Jowisza. 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) należącym do amerykańskiej Narodowej Fundacji Nauki (NSF) w ramach programu NSF NOIRLab.
Zespół najpierw wykorzystał finansowaną przez NASA kamerę NN-EXPLORE Exoplanet and Stellar Speckle Imager (NESSI) w technice, która pomaga „zamrozić” migotanie atmosfery, co pokazało, że w pobliżu nie było żadnych obcych gwiazd, które mogłyby zakłócić pomiary TESS. Następnie, korzystając ze spektrografów HPF i NEID, zespół zaobserwował, jak widmo TIC 241249530, czyli długości fal emitowanego przez nią światła, zmieniało się w wyniku krążenia wokół niego egzoplanety.
„To niezwykle ekscytujące widzieć, jak tak wspaniała nauka wyłania się z NEID w ciągu zaledwie kilku lat działania” – powiedziała Andrea Lin, współautorka artykułu i doktorantka w Penn State, która pomogła skonstruować i uruchomić spektrograf NEID. „Dopiero zaczynamy i nie mogę się doczekać, aby zobaczyć, co możemy osiągnąć w przyszłości”.
Analiza masy i orbity planety
Szczegółowa analiza zmian prędkości gwiazdy w ciągu sześciomiesięcznego okresu orbitalnego planety potwierdziła, że egzoplaneta jest około pięć razy masywniejsza od Jowisza i krąży po niezwykle ekscentrycznej drodze.
„To najbardziej ekscentryczna planeta tranzytowa ze znanych i okaże się równie ważna jak poprzedni rekordzista, HD80606b, którego orbita również jest bardzo zwariowana w stosunku do obrotu gwiazdy macierzystej” – powiedział Jason Wright, profesor astronomii i astrofizyki w Penn State , który nadzorował projekt w czasie, gdy Gupta był doktorantem na tej uczelni. „Te dwie bardzo ekscentryczne planety zostały „złapane” w procesie ewolucji w kierunku gorącego Jowisza. Podobnie jak HD80606b, planeta ta ma masę wielokrotnie większą od Jowisza, co sugeruje, że ten kanał formowania się gorących Jowiszów może być jednym z kanałów, jakie mogą przyjąć tylko najbardziej masywne planety.”
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.
Przyszłe badania i obserwacje
„Szczególnie interesuje nas to, czego możemy się dowiedzieć o dynamice atmosfery tej planety po jej przelocie do swojej gwiazdy” – powiedział Wright. „Teleskopy takie jak NASA Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba mają czułość, aby zbadać zmiany w atmosferze tej nowo odkrytej egzoplanety w trakcie jej szybkiego nagrzewania, więc zespół ma jeszcze wiele do nauczenia się na temat egzoplanety”.
Więcej informacji na temat tych badań można znaleźć w artykule Ekstremalnie dziwna orbita rzadkiej egzoplanety ogłusza astronomów.
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
Innymi współautorami Penn State są Jessica Libby-Roberts, doktorantka, Megan Delamer, absolwentka i Donald Schneider, wybitny profesor astronomii i astrofizyki.
Prace te zostały sfinansowane przez Penn State, Narodową Agencję Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej (NASA), Centrum ds. egzoplanet i światów mieszkalnych, NASA-NSF Exoplanet Observational Research (NN-EXPLORE), NASA Exoplanet Exploration Program, NASA Ames Research Center, The Roberta Martina Ayersa Sciences Fund, Amerykańską Narodową Fundację Nauki (NSF), Agencia Estatal de Investigación of the Ministerio de Ciencia e Innovación, Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu, Polan, Hiszpańskie Ministerstwo Nauki i Innowacji (MICINN) za pośrednictwem Hiszpanii Państwowa Agencja Badawcza, Program gościnnych badaczy TESS, Fundacja Heising-Simons, Uniwersytet Teksasu w Austin, Ludwig-Maximillians-Universitaet Muenchen i Georg-August Universitaet Goettingen.
