Cheops havaitsi salaperäisiä lämpimiä mini-neptunuksia

ESAn eksoplaneettoja etsivä Cheops avaruusobservatorio vahvisti havainnoillaan neljän lämpimän eksoplaneetan olemassaolon, jotka kiertävät neljää eri tähteä Linnunradassamme. Näiden eksoplaneettojen koko on Maan ja Neptunuksen välillä, ja ne kiertävät tähtiään lähempänä kuin Merkurius Aurinkoa.

Tähän kaavioon on koottu tärkeimmät havaittujen mini-neptunuksien ominaisuudet, jotka ovat vahvistuneet useiden havaintojen avulla. Klikkaa kuvaa suuremmaksi!

Kuva ESA (Acknowledgement: work performed by ATG under contract for ESA), CC BY-SA 3.0 IGO.

Nämä niin kutsutut mini-neptunukset ovat erilaisia kuin mikään Aurinkokuntamme planeetta ja ne ovat ”puuttuva linkki" Maan kaltaisten ja Neptunuksen kaltaisten planeettojen välillä. Mini-neptunukset ovat yleisimpiä tunnetuista eksoplaneettatyypeistä, ja tähtitieteilijät ovat alkaneet löytää niitä yhä enemmän kirkkaita tähtiä kiertäviltä radoilta.

Mini-neptunukset ovat pienempiä, viileämpiä ja vaikeammin löydettävissä kuin niin sanotut kuumat jupiterit, joita on löydetty runsaasti. Vaikka kuumat jupiterit kiertävät tähteensä muutamassa tunnissa tai vuorokaudessa ja niiden pintalämpötila on tyypillisesti yli 1 000 °C, lämpimillä mini-neptunuksilla kestää kauemmin kiertää tähtiään ja niiden pintalämpötila on viileämpiä, vain noin 300 °C.

Ensimmäinen merkki näiden neljän uuden eksoplaneetan olemassaolosta löytyi NASAn TESS-avaruusobservatorion havainnoista. Tämä avaruusalus havaitsi kuitenkin vain 27 vuorokautta kutakin tähteä. Jokaiselta tähdeltä havaittiin vihje ylikulkuun – valon himmenemiseen planeetan kulkiessa tähtensä edestä. Jatketun tehtävänsä aikana TESS havaitsi uudelleen näitä tähtiä ja ylikulku havaittiin uudelleen, mikä viittaa planeettojen olemassaoloon.

Tutkijat laskivat todennäköisimmän kiertoradan ja suuntasivat Cheopsin samoihin tähtiin silloin, kun planeettojen ylikulku oli odotettavissa. Tämän hit-or-miss-menettelyn aikana Cheops pystyi mittaamaan kunkin eksoplaneetan ylikulun ja vahvistamaan niiden olemassaolon, löytämään niiden todelliset kiertoradat ja ottamaan seuraavan askeleen niiden karakterisoinnissa.

Neljän äskettäin löydetyn planeetan kiertoradat ovat 21 – 53 vuorokautta neljän eri tähden ympärillä. Niiden löytäminen on välttämätöntä, koska se tuo havaintomme tunnetuista eksoplaneetoista lähemmäksi pidempiä kiertoratoja, joita löydämme omasta Aurinkokunnastamme.

Yksi mini-neptunuksien vielä ratkaisemattomista kysymyksistä on, miten ne ovat muodostuneet. Tähtitieteilijät arvioivat, että niillä on rautakivinen ydin ja joiden ulkokerrokset ovat paksumpia mutta kevyempää materiaalia. Eri teoriat ennustavat erilaisia ​​ulkokerroksia: onko niissä syviä nestemäisen veden valtameriä, vety- ja heliumilmakehää vai puhdasta vesihöyryä?

Mini-neptunusten koostumuksen löytäminen on tärkeää tämän tyyppisen planeetan muodostumishistorian ymmärtämiseksi. Vettä sisältävät mini-neptunukset muodostuivat luultavasti kaukana planeettajärjestelmänsä jäisille alueilla ennen siirtymistä sisäänpäin, kun taas kiven ja kaasun yhdistelmät kertoisivat meille, että nämä planeetat pysyivät samassa paikassa muodostuessaan.

Uudet Cheopsin havainnot auttoivat määrittämään neljän eksoplaneetan säteen, kun taas niiden massa voitiin määrittää maanpäällisten teleskooppien havaintojen avulla. Planeetan massan ja säteen yhdistäminen antaa arvion sen kokonaistiheydestä.

Tiheys voi antaa vain ensimmäisen arvion rautakivisen ytimen massasta. Vaikka tämä uusi tieto tiheydestä on tärkeä askel eteenpäin mini-neptunuksen ymmärtämisessä, se ei sisällä tarpeeksi tietoa tehdäkseen johtopäätöksen ulkokerroksille.

Havaitut eksoplaneetat kiertävät kirkkaita tähtiä, mikä tekee niistä täydelliset ehdokkaat NASA/ESA/CSA James Webb -avaruusteleskoopin seurantahavainnoille tai ESAn tulevalle Ariel-obsrvatoriolle. Spektroskooppiset havainnot voisivat selvittää, mitä niiden ilmakehä sisältää ja antaa lopullisen vastauksen niiden ulkokerrosten koostumuksesta.

Täydellistä karakterisointia tarvitaan näiden kappaleiden muodostumisen ymmärtämiseksi. Näiden planeettojen koostumuksen tunteminen kertoo meille, millä mekanismilla ne muodostuivat varhaisissa planeettajärjestelmissä. Tämä puolestaan auttaa meitä ymmärtämään paremmin Aurinkokuntamme alkuperää ja kehitystä.

Tutkimukset julkaistiin neljässä julkaisussa:

Refined parameters of the HD 22946 planetary system and the true orbital period of the planet d’ by Z. Garai et al. is published in Astronomy & Astrophysics. https://www.aanda.org/10.1051/0004-6361/202345943

‘Two Warm Neptunes transiting HIP 9618 revealed by TESS & Cheops’ by H. P. Osborn et al. is published in the Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. https://doi.org/10.1093/mnras/stad1319

‘TESS and CHEOPS Discover Two Warm Sub-Neptunes Transiting the Bright K-dwarf HD15906’ by A. Tuson et al. is published in the Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. https://doi.org/10.1093/mnras/stad1369

‘TOI-5678 b: a 48-day transiting Neptune-mass planet characterized with CHEOPS and HARPS’ by S. Ulmer-Moll et al. is published in Astronomy & Astrophysics. https://www.aanda.org/10.1051/0004-6361/202245478

Raskain tähän mennessä löydetty alkuaine eksoplaneetan ilmakehässä

eso2213 — Tiedejulkaisu

Tähtitieteilijät ovat löytäneet Euroopan eteläisen observatorion VLT-teleskoopin (Very Large Telescope) avulla eksoplaneetan ilmakehästä raskaimman toistaiseksi löydetyn alkuaineen - bariumin. Bariumin löytyminen korkealta erittäin kuumien kaasujättiläisten WASP-76 b ja WASP-121 b ilmakehistä oli yllätys. Nämä kaksi eksoplaneettaa ovat Aurinkokuntamme ulkopuolella tähtien kiertoradoilla olevia planeettoja. Tämä odottamaton löytö herättää kysymyksiä siitä, millaisia nämä eksoottiset ilmakehät voisivat olla.

Tässä taiteilijan tekemässä kuvassa näkyy erittäin kuuma aurinkokuntamme ulkopuolella oleva eksoplaneetta siirtymässä emotähtensä eteen. Kun tähden valo kulkee planeetan ilmakehän läpi, se suodattuu kulkiessaan kaasumaisen kerroksen alkuaineiden ja molekyylien läpi. Näiden alkuaineiden ja molekyylien aiheuttamat sormenjäljet voidaan havaita herkillä instrumenteilla maapallolta. Kuva ESO/M. Kornmesser.

"Hämmentävää on se, että miksi näiden planeettojen ilmakehän ylemmissä kerroksissa on niin raskaita alkuainetta?" sanoo Tomás Azevedo Silva, Porton yliopiston ja portugalilaisen Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaçon (IA) tohtoriopiskelija, joka johti tänään Astronomy & Astrophysics -lehdessä julkaistua tutkimusta.

WASP-76 b ja WASP-121 b eivät ole tavallisia eksoplaneettoja. Molemmat tunnetaan erittäin kuumina jupitereina, koska ne ovat kooltaan verrattavissa Jupiteriin. Niiden pintalämpötilat ovat erittäin korkeita, yli 1000 °C. Tämä johtuu niiden läheisyydestä isäntätähtiensä kanssa, mikä tarkoittaa myös sitä, että kiertorata kunkin tähden ympäri kestää vain yhdestä kahteen vuorokautta. Tämä tekee planeetoista melko eksoottisia, esimerkiksi WASP-76 b:ssä tähtitieteilijät epäilevät sateen olevan rautaa.

Mutta silti tutkijat yllättyivät löytäessään bariumia, joka on 2,5 kertaa raskaampaa kuin rauta, WASP-76 b:n ja WASP-121 b:n yläilmakehistä. "Planeettojen suuren gravitaation vuoksi odotimme raskaiden alkuaineiden, kuten bariumin putoavan nopeasti ilmakehän alempiin kerroksiin", selittää toinen kirjoittaja Olivier Demangeon, tutkija myös Porton yliopistosta ja IA:sta.

"Tämä oli tavallaan "vahingossa" tehty löytö”, Azevedo Silva sanoo. "Emme odottaneet tai etsineet erityisesti bariumia, ja meidän piti tarkistaa, että se todella oli peräisin planeetalta, koska sitä ei ollut koskaan aiemmin nähty missään eksoplaneetassa.”

Se tosiasia, että bariumia havaittiin näiden molempien ultrakuumien jupiterien ilmakehissä, viittaa siihen, että tämä planeettaluokka saattaa olla vieläkin oudompia kuin aiemmin ajateltiin. Vaikka näemme joskus omalla taivaallamme bariumia ilotulitteiden kirkkaanvihreänä värinä, tiedemiehille kysymys on, mikä luonnollinen prosessi voisi saada tämän raskaan alkuaineen olemaan niin korkealla näillä eksoplaneetoilla. "Tällä hetkellä emme ole varmoja, mitkä mekanismit taustalla ovat", Demangeon selittää.

Tämä kuva esittää näkymän eksoplaneetta WASP-76 b:n yöpuolta. Erittäin kuumalla jättiläiseksoplaneetalla on päiväpuoli, jossa lämpötilat nousevat yli 2400 celsiusasteen, joka on riittävän korkea jopa metallien höyrystämiseen. Voimakkaat tuulet kuljettavat rautahöyryä viileämmän yön puolelle, jossa se tiivistyy rautapisaroiksi. Kuvan vasemmalla puolella näemme eksoplaneetan iltarajan, jossa näkymä siirtyy päivästä yöhön. Kuva ESO/M. Kornmesser.

Eksoplaneettojen ilmakehien tutkimuksessa erittäin kuumat jupiterit ovat erittäin hyödyllisiä. Kuten Demangeon selittää: "Kaasumaisena ja kuumana niiden ilmakehät ovat hyvin laajoja, joten niitä on helpompi havaita ja tutkia kuin pienempien tai viileämpien planeettojen ilmakehiä."

Eksoplaneetan ilmakehän koostumuksen määrittäminen vaatii hyvin erikoistuneita laitteita. Ryhmä käytti ESPRESSO -instrumenttia ESO:n VLT:ssä Chilessä analysoidakseen tähtivaloa, joka oli suodattunut WASP-76 b:n ja WASP-121 b:n ilmakehien läpi. Tämä mahdollisti useiden alkuaineiden selkeän havaitsemisen niissä, mukaan lukien barium.

Nämä uudet tulokset osoittavat, että olemme vain raapaisseet eksoplaneettojen mysteerien pintaa. Tulevaisuuden instrumenteilla, kuten korkean resoluution ArmazoNes High Dispersion Echelle Spectrograph (ANDES), joka toimii ESO:n tulevassa Extremely Large Telescopessa (ELT), tähtitieteilijät voivat havaita suurten ja pienten eksoplaneettojen, mukaan lukien Maan kaltaisten kiviplaneettojen ilmakehiä paljon syvemmältä ja kerätä lisää vihjeitä näiden outojen maailmojen ominaisuuksista.

Tämä tutkimus julkaistiin Astronomy & Astrophysics -julkaisussa "Bariumin havaitseminen ultrakuumakaasujättiläisten WASP-76b ja WASP-121b ilmakehissä" (doi: 10.1051/0004-6361/202244489).