Astronomer observerade en ovanlig Jupiter-liknande planet som kretsade kring en kall röd dvärgstjärna

En gasjätte exoplanet med densiteten av en marshmallow har upptäckts i omloppsbana runt en kall röd dvärgstjärna av en rad instrument, inklusive NASA-finansierat NEID-instrument för radiell hastighet på WIYN 3.5-metersteleskopet vid Kitt Peak National Observatory, ett program från NSF:s NOIRLab. Planeten, som heter TOI-3757 b, är den fluffigaste gasjätteplaneten som någonsin upptäckts runt denna typ av stjärna.

Astronomer som använder WIYN 3.5-metersteleskopet vid Kitt Peak National Observatory i Arizona, ett program för NSF:s NOIRLab, har observerat en ovanlig Jupiter-liknande planet i omloppsbana runt en kall röd dvärgstjärna. Belägen cirka 580 ljusår från jorden i konstellationen Auriga the Charioteer, denna planet, identifierad som TOI-3757 b, är den planet med lägsta densitet som någonsin upptäckts runt en röd dvärgstjärna och uppskattas ha en genomsnittlig densitet som liknar den av en marshmallow.

Röda dvärgstjärnor är de minsta och svagaste medlemmarna i den så kallade huvudsekvensen stjärnor — stjärnor som omvandlar väte till helium i sina kärnor i en jämn hastighet. Fast "cool" jämfört med stjärnor som vår sol, kan röda dvärgstjärnor vara extremt aktiva och få utbrott med kraftfulla flammor som kan beröva en planet från dess atmosfär, vilket gör detta stjärnsystem till en till synes ogästvänlig plats för att bilda en sådan knasig planet.

"Jätteplaneter runt röda dvärgstjärnor har traditionellt ansetts vara svåra att bilda," säger Shubham Kanodia, en forskare vid Carnegie Institution for Science's Earth and Planets Laboratory och första författare på en artikel publicerad i Den astronomiska tidskriften. "Än så länge har detta bara tittats på med små prover från Dopplerundersökningar, som vanligtvis har hittat jätteplaneter längre bort från dessa röda dvärgstjärnor. Hittills har vi inte haft ett tillräckligt stort urval av planeter för att hitta närliggande gas planeter på ett robust sätt."

Det finns fortfarande oförklarade mysterier kring TOI-3757 b, det stora är hur en gasjätteplanet kan bildas runt en röd dvärgstjärna, och speciellt en sådan lågdensitetsplanet. Kanodias team tror dock att de kan ha en lösning på det mysteriet.

De föreslår att den extra låga densiteten hos TOI-3757 b kan vara resultatet av två faktorer. Den första hänför sig till planetens steniga kärna; gasjättar tros börja som massiva steniga kärnor som är ungefär tio gånger massan Jord, vid vilken tidpunkt de snabbt drar in stora mängder närliggande gas för att bilda de gasjättar vi ser idag. TOI-3757 b:s stjärna har ett lägre överflöd av tunga grundämnen jämfört med andra M-dvärgar med gasjättar, och detta kan ha resulterat i att den steniga kärnan bildas långsammare, försenar starten av gastillväxt och därför påverkar planetens totala densitet.

Den andra faktorn kan vara planetens bana, som preliminärt tros vara något elliptisk. Det finns tillfällen den kommer närmare sin stjärna än vid andra tillfällen, vilket resulterar i betydande överhettning som kan få planetens atmosfär att svälla upp.

Planeten upptäcktes ursprungligen av NASA:s Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS). Kanodias team gjorde sedan uppföljningsobservationer med markbaserade instrument, inklusive NEID och NESSI (NN-EXPLORE Exoplanet Stellar Speckle Imager), båda inrymda vid WIYN 3.5-metersteleskopet; Habitable-zone Planet Finder (HPF) på Hobby-Eberly-teleskopet; och Red Buttes Observatory (RBO) i Wyoming.

TESS undersökte korsningen av denna planet TOI-3757 b framför sin stjärna, vilket gjorde det möjligt för astronomer att beräkna planetens diameter till att vara cirka 150,000 100,000 kilometer (3.5 25 miles) eller ungefär bara något större än Jupiters. Planeten avslutar en hel bana runt sin värdstjärna på bara XNUMX dagar, XNUMX gånger mindre än den närmaste planeten i vårt solsystem — kvicksilver – vilket tar cirka 88 dagar att göra det.

Astronomerna använde sedan NEID och HPF för att mäta stjärnans skenbara rörelse längs siktlinjen, även känd som dess radiella hastighet. Dessa mätningar gav planetens massa, som beräknades vara ungefär en fjärdedel av Jupiters massa, eller ungefär 85 gånger jordens massa. Genom att känna till storleken och massan kunde Kanodias team beräkna TOI-3757 b:s genomsnittliga densitet till 0.27 gram per kubikcentimeter (cirka 17 gram per kubikfot), vilket skulle göra den mindre än hälften av densiteten hos Saturnus (planeten med lägsta densitet) i Solsystem), ungefär en fjärdedel av vattnets densitet (vilket betyder att det skulle flyta om det placerades i ett gigantiskt badkar fyllt med vatten), eller faktiskt liknande densitet som en marshmallow.

"Möjliga framtida observationer av atmosfären på denna planet med hjälp av NASA:s nya rymdteleskop James Webb kan hjälpa till att kasta ljus över dess pösiga natur," säger Jessica Libby-Roberts, postdoktor vid Pennsylvania State University och den andra författaren på denna tidning.

"Att hitta fler sådana system med jätteplaneter - som en gång i teorin var extremt sällsynta runt röda dvärgar - är en del av vårt mål att förstå hur planeter bildas." säger Kanodia.

Upptäckten belyser vikten av NEID i dess förmåga att bekräfta några av kandidaterna exoplaneter för närvarande upptäcks av NASA:s TESS-uppdrag, vilket ger viktiga mål för den nya James Webb rymdteleskop (JWST) för att följa upp och börja karakterisera deras atmosfärer. Detta kommer i sin tur att informera astronomer om vad planeterna är gjorda av och hur de bildades och, för potentiellt beboeliga steniga världar, om de kanske kan stödja liv.

Tidskriftsreferens

1. Shubham Kanodia, Jessica Libby-Roberts, Caleb I. Cañas, Joe P. Ninan, Suvrath Mahadevan, Gudmundur Stefansson, Andrea SJ Lin, Sinclaire Jones, Andrew Monson, Brock A. Parker, Henry A. Kobulnicky, Tera N. Swaby, Luke Powers, Corey Beard, Chad F. Bender, Cullen H. Blake, William D. Cochran, Jiayin Dong, Scott A. Diddams, Connor Fredrick, Arvind F. Gupta, Samuel Halverson, Fred Hearty, Sarah E. Logsdon, Andrew J. Metcalf, Michael W. McElwain, Caroline Morley, Jayadev Rajagopal, Lawrence W. Ramsey, Paul Robertson, Arpita Roy, Christian Schwab, Ryan C. Terrien, John Wisniewski och Jason T. Wright. TOI-3757 b: En gasjätte med låg densitet som kretsar kring en M-dvärg av solmetallicitet. The Astronomical Journal, Volym 164, nummer 3 DOI: DOI: 10.3847/1538-3881/ac7c20