Met behulp van de WIYN 3,5-meter telescoop van het Amerikaanse National Science Foundation Kitt Peak National Observatory, een programma van NSF NOIRLab, hebben astronomen de extreme baan ontdekt van een exoplaneet die op weg is om een hete Jupiter te worden. Deze exoplaneet volgt niet alleen een van de meest drastisch uitgerekte banen van alle bekende transiterende exoplaneten, maar draait ook achterstevoren om zijn ster, wat inzicht geeft in het mysterie van hoe hete Jupiters evolueren.
Op dit moment zijn er meer dan 5600 bevestigde exoplaneten in iets meer dan 4000 stersystemen. Binnen deze populatie vallen ongeveer 300-500 exoplaneten in de merkwaardige klasse die bekend staat als hete Jupiters - grote, Jupiter-achtige exoplaneten die heel dicht bij hun ster draaien, sommige zelfs zo dicht als Mercurius bij onze zon. Hoe hete Jupiters in zulke nauwe banen terechtkomen is een raadsel, maar astronomen veronderstellen dat ze beginnen in banen ver van hun ster en dan in de loop van de tijd naar binnen migreren. De vroege stadia van dit proces zijn zelden waargenomen, maar met deze nieuwe analyse van een exoplaneet met een ongebruikelijke baan zijn astronomen een stap dichter bij het ontrafelen van het hete Jupiter mysterie.
De ontdekking van deze exoplaneet, TIC 241249530 b genaamd, vond zijn oorsprong in de detectie door NASA's Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) in januari 2020 van een dip in de helderheid van een ster die overeenkomt met een enkele planeet ter grootte van Jupiter die voor de ster langs trekt, of er doorheen gaat. Om de aard van deze fluctuaties te bevestigen en andere mogelijke oorzaken uit te sluiten, gebruikte een team van astronomen twee instrumenten op de WIYN 3,5-meter telescoop van het Amerikaanse National Science Foundation Kitt Peak National Observatory (KPNO), een programma van NSF NOIRLab.
Het team gebruikte eerst de door NASA gefinancierde NN-EXPLORE Exoplanet and Stellar Speckle Imager (NESSI) in een techniek die helpt om atmosferische twinkelingen 'uit te vriezen' en alle externe bronnen te elimineren die de bron van het signaal zouden kunnen verwarren. Vervolgens heeft het team met behulp van de door NASA gefinancierde NEID-spectrograaf de radiale snelheid van TIC 241249530 b gemeten door zorgvuldig te observeren hoe het spectrum van zijn gastheerster, of de golflengten van het uitgezonden licht, verschoof als gevolg van de exoplaneet die om hem heen draait.
Indien deze exoplaneet deel zou uitmaken van ons zonnestelsel
zou zijn omloopbaan er zo uitzien - Foto: NOIRLab/NSF/AURA/R. Proctor
Arvind Gupta, postdoctoraal onderzoeker bij NOIRLab en hoofdauteur van het artikel dat in Nature is gepubliceerd, prees NESSI en NEID als cruciaal voor de inspanningen van het team om het signaal van de exoplaneet te karakteriseren en bevestigen. “NESSI gaf ons een scherper beeld van de ster dan anders mogelijk zou zijn geweest, en NEID heeft het spectrum van de ster nauwkeurig gemeten om verschuivingen als gevolg van de exoplaneet te detecteren,” legde Gupta uit. Gupta wees in het bijzonder op de unieke flexibiliteit van de NEID-waarnemingsplanning, omdat deze het mogelijk maakt om het waarneemplan van het team snel aan te passen aan nieuwe gegevens.
“De WIYN-telescoop speelt een cruciale rol bij het begrijpen waarom planeten in andere zonnestelsels zo kunnen verschillen van systeem tot systeem”, zegt Chris Davis, programmadirecteur van NSF NOIRLab. “De samenwerking tussen NSF en NASA in het NN-EXPLORE programma blijft indrukwekkende resultaten opleveren in het onderzoek naar exoplaneten.”
Gedetailleerde analyse van het spectrum bevestigde dat de exoplaneet ongeveer vijf keer zo massief is als Jupiter. Het spectrum onthulde ook dat de exoplaneet een extreem excentrische, of uitgerekte, baan volgt. De excentriciteit van de baan van een planeet wordt gemeten op een schaal van 0 tot 1, waarbij 0 staat voor een perfect cirkelvormige baan en 1 voor sterk elliptisch. Deze exoplaneet heeft een baanexcentriciteit van 0,94 en is daarmee excentrischer dan de baan van alle andere exoplaneten die ooit via de transitmethode zijn gevonden [1]. Ter vergelijking: de zeer elliptische baan van Pluto rond de zon heeft een excentriciteit van 0,25; de excentriciteit van de aarde is 0,02.
Als deze planeet deel uitmaakte van ons zonnestelsel, zou zijn baan zich uitstrekken van zijn dichtste nadering, tien keer dichter bij de zon dan Mercurius, helemaal tot zijn verste punt op de afstand van de aarde. Door deze extreme baan zou de temperatuur op de planeet variëren van een zomerdag tot heet genoeg om titanium te smelten. Om de baan van de exoplaneet nog ongebruikelijker te maken, ontdekte het team ook dat hij achterstevoren draait, dat wil zeggen in een richting tegengesteld aan de rotatie van zijn gastheerster. Dit is iets wat astronomen niet zien bij de meeste andere exoplaneten, noch in ons eigen zonnestelsel, en het helpt het team bij het interpreteren van de ontstaansgeschiedenis van de exoplaneet.
De unieke baankarakteristieken van de exoplaneet geven ook een indicatie van zijn toekomstige baan. Verwacht wordt dat de aanvankelijke excentrische baan en de extreem dichte nadering van de gastheerster de baan van de planeet zal 'omcirkelen', omdat getijdenkrachten op de planeet energie uit de baan halen en ervoor zorgen dat deze geleidelijk krimpt en omcirkelt. Het is waardevol om deze exoplaneet te ontdekken voordat deze migratie heeft plaatsgevonden, omdat het cruciaal inzicht geeft in hoe hete Jupiters zich vormen, stabiliseren en in de loop der tijd evolueren.
“Hoewel we niet precies op terugspoelen kunnen drukken en het proces van planeetmigratie in realtime kunnen bekijken, dient deze exoplaneet als een soort momentopname van het migratieproces,” aldus Gupta. “Planeten zoals deze zijn ongelooflijk zeldzaam en moeilijk te vinden, en we hopen dat ze ons kunnen helpen om het verhaal van de vorming van hete Jupiters te ontrafelen.”
“We zijn vooral geïnteresseerd in wat we kunnen leren over de dynamiek van de atmosfeer van deze planeet nadat hij een van zijn verzengende passages naar zijn ster heeft gemaakt,” zei Jason Wright, Penn State professor in de astronomie en astrofysica die het project begeleidde toen Gupta nog een promovendus aan de universiteit was. “Telescopen zoals NASA's James Webb Space Telescope hebben de gevoeligheid om de veranderingen in de atmosfeer van de nieuw ontdekte exoplaneet te onderzoeken terwijl deze een snelle verhitting ondergaat, dus het team kan nog veel meer te weten komen over de exoplaneet.”
TIC 241249530 b is pas de tweede exoplaneet ooit ontdekt die de pre-migratiefase van hete Jupiters vertoont. Samen bevestigen deze twee voorbeelden het idee dat gasreuzen met een hogere massa evolueren naar hete Jupiters als ze van zeer excentrische banen naar nauwere, meer cirkelvormige banen migreren. “Astronomen zijn al meer dan twintig jaar op zoek naar exoplaneten die waarschijnlijk voorlopers zijn van hete Jupiters, of die tussenproducten zijn van het migratieproces, dus ik was erg verrast - en enthousiast - om er een te vinden,” zei Gupta. “Het is precies wat ik hoopte te vinden.”
Opmerkingen
[1] Er is één exoplaneet gevonden met een hogere excentriciteit. HD 20782 b heeft een excentriciteit van 0,956 maar is niet in transit, waardoor de oriëntatie van zijn baan ten opzichte van zijn gastheerster niet kan worden bepaald. Dit benadrukt het belang van de ontdekking van TIC 241249530 b, waarvan de baankarakteristieken konden worden bepaald dankzij de overgang naar zijn ster.
Bron: NOIRLab
