Astronomen haben den perfekten Exoplaneten gefunden, um die Atmosphäre einer anderen Welt zu studieren

TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) hat einen neuen Planeten gefunden, und die Entdeckung dieses Sub-Neptun-Exoplaneten begeistert Wissenschaftler für Atmosphären. Die Kombination aus der Größe des Planeten, seiner dicken Atmosphäre und seiner Umlaufbahn um einen kleinen Stern der M-Klasse in der Nähe der Erde bietet Forschern die Möglichkeit, mehr über die Atmosphären von Exoplaneten zu erfahren. Wir werden immer besser darin, Exoplaneten zu finden, und die Untersuchung ihrer Atmosphären ist der nächste Schritt, um sie als Ganzes zu verstehen.

Alle unsere Exoplaneten-Erkennungsstrategien haben einen Beobachtungs-Bias. Es scheint unmöglich zu sein. Sogar TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite), wahrscheinlich unser geschicktester Planetenfinder, hat eine Beobachtungsneigung. Sein Vorgänger Kepler war auf größere Planeten ausgerichtet, und TESS teilt diese Voreingenommenheit nicht. Aber TESS hat aufgrund seiner Funktionsweise immer noch eine Art blinder Fleck.

Kein Teleskop kann überall gleichzeitig hinsehen, und TESS ist da keine Ausnahme. Es beobachtet den Himmel meist in 28-Tage-Blöcken. Für einen dieser Brocken konzentriert es sich 28 Tage lang auf einen Bereich. Um als Exoplanet bestätigt zu werden, muss ein Objekt innerhalb von 28 Tagen zweimal an seinem Stern vorbeiziehen. Das Endergebnis von all dem ist, dass die meisten Planeten, die TESS findet, Umlaufzeiten von weniger als 14 Tagen haben.

Die meisten Beobachtungen von TESS werden in 28-Tage-Stücken durchgeführt, wie das Bild zeigt. Bildquelle: NASA/JPL

Aber dieser neue Planet namens TOI-1231 b hat eine Umlaufzeit von 24 Tagen. Dies macht es zu einem großartigen Ziel für die Untersuchung der Atmosphären von Exoplaneten, da es länger vor seinem Stern ist und leichter untersucht werden kann. Die Leser von Universe Today wissen, dass wir durch das Studium des Lichts in seiner Wechselwirkung mit Dingen den größten Teil unseres Wissens über den Weltraum gewinnen. TESS selbst wird den Planeten nicht studieren. Andere Missionen wie das James Webb Space Telescope (JWST) werden sich darum kümmern, indem sie das Sternenlicht beobachten, wie es durch die Atmosphäre des Planeten dringt.

„Dieser neue Planet, den wir entdeckt haben, ist immer noch seltsam – aber er ist einen Schritt näher daran, wie unsere Nachbarplaneten zu sein.“

Jennifer Burt, Hauptautorin des Papiers, NASA-JPL.

Da TOI-1231 b im Vergleich zu anderen TESS-Planeten so viel Zeit vor seinem Stern verbringt, werden Missionen wie das JWST einen viel besseren Blick darauf erhalten.

Aber nicht nur die Umlaufzeit des Planeten macht ihn zu einem idealen Ziel. Auch seine Größe im Verhältnis zu seinem Stern hilft. Da der Stern so klein ist, blockiert der Planet mehr von seinem Licht, als wenn Planet und Stern Erde und Sonne ähnlicher wären. „In gewisser Weise erzeugt dies einen größeren Schatten auf der Oberfläche des Sterns, wodurch Planeten um M-Zwerge leichter erkennbar und leichter zu untersuchen sind“, heißt es in der Pressemitteilung.

Das Papier, das die Entdeckung von TOI 1321-b skizziert, trägt den Titel „TOI-1231 b: Ein Planet in gemäßigter Größe, der in Neptungröße den nahen M3-Zwerg NLTT 24399 durchquert“ .“ Die Hauptautorin ist die NASA-JPL-Wissenschaftlerin Jennifer Burt. Das Papier wird im Astrophysical Journal veröffentlicht, ist aber jetzt auf der Prepress-Site arxiv.org verfügbar.

„In Zusammenarbeit mit einer Gruppe exzellenter Astronomen auf der ganzen Welt konnten wir die notwendigen Daten zusammenstellen, um den Wirtsstern zu charakterisieren und sowohl den Radius als auch die Masse des Planeten zu messen“, sagte Burt in a Pressemitteilung . „Diese Werte wiederum ermöglichten es uns, die Schüttdichte des Planeten zu berechnen und Hypothesen darüber aufzustellen, woraus der Planet besteht. TOI-1231 b ist in Größe und Dichte Neptun ziemlich ähnlich, daher denken wir, dass es eine ähnlich große gasförmige Atmosphäre hat.“

Das Team, das TOI-1321 b gefunden hat, sagt, der Planet sei Neptun ähnlich und habe wahrscheinlich eine ähnliche Gasatmosphäre. Bildquelle: NASA/JPL

Der neue Planet hat einen Radius von etwa dem 3,65-fachen des Erdradius. Es hat eine Umlaufzeit von 24,26 Tagen und eine Masse von etwa 15,5 Erdmassen. Der Stern, den er umkreist, ist ein etwa 90 Lichtjahre entfernter M-Zwergstern im Sternbild Vela.

Der Planet ist seinem Stern viel näher als die Erde der Sonne. Aber 1321 b hat ungefähr die gleiche Temperatur, weil sein Stern so viel kühler ist als die Sonne. Diese niedrigere Temperatur macht es auch zu einem wünschenswerten Objekt für weitere Studien mit dem JWST und anderen Teleskopen. Seine Gleichgewichtstemperatur beträgt nur etwa 330 Kelvin, was ihn zu einem der kühlsten kleinen Planeten macht, die für atmosphärische Studien verfügbar sind. Zum Vergleich: Die Durchschnittstemperatur der Erde beträgt etwa 288 Kelvin, und ein ultraheißer Jupiter kann eine Tagestemperatur von bis zu 2700 K haben, heißer als viele Sterne.

„TOI-1231 b ist einer der wenigen anderen Planeten, von denen wir wissen, dass er eine ähnliche Größe und Temperatur hat. Daher werden wir durch zukünftige Beobachtungen dieses neuen Planeten feststellen können, wie häufig (oder selten) es ist, dass sich Wasserwolken um ihn herum bilden.“ gemäßigten Welten“, sagte Burt.

Dieses Bild aus der Studie zeigt die Werte der Transmissionsspektroskopie-Metrik (TSM) für einige kleine Exoplaneten mit einer Temperatur von weniger als 1000 Kelvin. Die vier ausgefüllten Planeten mit schwarzen Kreisen und Beschriftungen wurden einer Nachuntersuchung mit dem Hubble unterzogen. TOI-1231 b ist als nächstes dran und gibt Wissenschaftlern eine weitere Gelegenheit, die Atmosphäre kleiner, kühlerer Planeten zu untersuchen. Die horizontale Achse zeigt die J-Größe der Sterne, die die Planeten umkreisen. Bildquelle: Burt et al. 2021.

Zusätzlich zu seiner Attraktivität als Ziel weist es eine hohe systemische Radialgeschwindigkeit auf. Astronomen sind davon besonders begeistert, weil es die Beobachtung von Wasserstoffatomen mit niedriger Geschwindigkeit ermöglichen könnte, die aus der Atmosphäre austreten. Die Eigenschaften und die Beziehung von TOI-1231 b zu seinem Stern ähneln denen eines anderen Sterns namens GJ-436 und seines Planeten GJ-436 b. GJ-436 b ist bekannt für sein atmosphärisches Entweichen, daher gehen Astronomen davon aus, dass der neu entdeckte Exoplanet auch atmosphärisches Entweichen erleben wird, wenn auch mit einer viel geringeren Rate als GJ-436 b. Wasserstoff ist der wahrscheinlichste Fluchtgrund, aber aufgrund des Vorhandenseins von interstellarem Gas schwer zu erkennen. Aber TOI-1232 b entfernt sich sehr schnell von der Erde, wodurch der Wasserstoff besser sichtbar wird.

Diana Dragomir ist eine der Co-Autoren des Papers. In derselben Pressemitteilung sagte sie: „Die geringe Dichte von TOI-1231 b deutet darauf hin, dass es von einer beträchtlichen Atmosphäre umgeben ist und kein Gesteinsplanet ist. Aber Zusammensetzung und Ausmaß dieser Atmosphäre sind unbekannt!“ sagte Dragomir. „TOI-1231 b könnte eine große Wasserstoff- oder Wasserstoff-Helium-Atmosphäre oder eine dichtere Wasserdampfatmosphäre haben. Jeder von ihnen würde auf einen anderen Ursprung hinweisen, was es Astronomen ermöglicht zu verstehen, ob und wie sich beispielsweise Planeten um M-Zwerge anders bilden als die Planeten um unsere Sonne. Unsere kommenden HST-Beobachtungen werden beginnen, diese Fragen zu beantworten, und das JWST verspricht einen noch gründlicheren Einblick in die Atmosphäre des Planeten.“

Es wird noch eine Weile dauern, bis das JWST seine Sensoren auf dem neu entdeckten Exoplaneten trainieren kann, obwohl das Weltraumteleskop bald startet (™). Aber der Hubble ist einsatzbereit. Tatsächlich plant einer der zahlreichen Autoren des Papiers, TOI-1231 b noch in diesem Monat zu beobachten.

Das James-Webb-Weltraumteleskop im Juni 2020. Uns wurde mitgeteilt, dass es bald starten wird. Bildquelle: NASA/JPL

Alle diese Exoplaneten-Entdeckungen zeigen uns die große Vielfalt, die in anderen Sonnensystemen vorhanden ist. Es gibt einige geradezu seltsame Planeten, zumindest im Vergleich zur Erde. Aber dieser ist der Erde ähnlicher als alle heißen Jupiter, die wir gefunden haben, und obwohl er immer noch anders ist, könnte er uns zumindest etwas über unser eigenes Sonnensystem und die dort lebenden Planeten lehren.

'Eines der faszinierendsten Ergebnisse der letzten zwei Jahrzehnte der Exoplanetenforschung ist, dass bisher keines der neuen Planetensysteme, die wir entdeckt haben, unserem eigenen Sonnensystem ähnlich sieht“, sagte Burt. „Sie sind voll von Planeten zwischen der Größe der Erde und des Neptuns auf Umlaufbahnen, die viel kürzer sind als die des Merkur, daher haben wir keine lokalen Beispiele, mit denen wir sie vergleichen könnten. Dieser neue Planet, den wir entdeckt haben, ist immer noch seltsam – aber er ist einen Schritt näher daran, wie unsere Nachbarplaneten zu sein. Im Vergleich zu den meisten bisher entdeckten Transitplaneten, die oft sengende Temperaturen von vielen Hundert oder Tausend Grad aufweisen, ist TOI-1231 b absolut kalt.“

Mehr:

• Pressemitteilung: Wissenschaftler entdecken neuen Exoplaneten mit studienreifer Atmosphäre
• Forschungsbericht: TOI-1231 b: Ein Planet in gemäßigter Klimazone, der den nahen M3-Zwerg NLTT 24399 durchquert
• Universum heute: Zeit vergeht. NASA veröffentlicht nach zweijährigem Betrieb ein Mosaik der TESS-Ansicht des nördlichen Himmels