Astronomen analysieren Massen, orbitale Eigenschaften und atmosphärische Merkmale von sechs Exoplaneten.

26. Januar 2024

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von der University of California, Irvine

Ein kürzlich entdecktes Sonnensystem mit sechs bestätigten Exoplaneten und einem möglichen siebten Exoplaneten erweitert das Wissen der Astronomen über die Planetenentstehung und -entwicklung. Ein Team unter der Leitung von Forschern der University of California, Irvine hat unter Einsatz eines weltumspannenden Arsenals von Observatorien und Instrumenten die genauesten bisherigen Messungen der Massen, Umlaufbahneigenschaften und atmosphärischen Merkmale der Exoplaneten zusammengestellt.

In einem heute im Astronomical Journal veröffentlichten Artikel teilen die Forscher die Ergebnisse der TESS-Keck-Umfrage mit und geben eine gründliche Beschreibung der Exoplaneten, die TOI-1136 umkreisen, einem Zwergstern in der Milchstraßengalaxie, der mehr als 270 Lichtjahre von der Erde entfernt ist. Die Studie baut auf den ersten Beobachtungen des Sterns und der Exoplaneten im Jahr 2019 auf, bei denen Daten des Transiting Exoplanet Survey Satellite verwendet wurden. Dieses Projekt lieferte die erste Schätzung der Massen der Exoplaneten durch Messung von Transitzeitvariationen, einem Maß für die gravitative Anziehungskraft, die die umkreisenden Planeten aufeinander ausüben.

Bei der neuesten Studie verknüpften die Forscher die TTV-Daten mit einer radialen Geschwindigkeitsanalyse des Sterns. Mit dem Automated Planet Finder-Teleskop am Lick Observatory auf dem Mount Hamilton in Kalifornien und dem High-Resolution Echelle Spectrometer am W.M. Keck Observatory auf dem Mauna Kea in Hawaii konnten sie geringfügige Variationen in der Sternbewegung durch den Rot- und Blauverschiebungseffekt des Doppler-Effekts nachweisen - dies half ihnen, planetare Massenmessungen von beispielloser Genauigkeit zu bestimmen.

Um solch genaue Informationen über die Planeten in diesem Sonnensystem zu erhalten, entwickelte das Team Computermodelle, die Hunderte von radialen Geschwindigkeitsmessungen über TTV-Daten legten. Der Hauptautor Corey Beard, ein Doktorand der UCI in Physik, sagte, dass die Kombination dieser beiden Arten von Messungen mehr Wissen über das System lieferte als je zuvor.

'Es erforderte viel Versuch und Irrtum, aber wir waren wirklich zufrieden mit unseren Ergebnissen, nachdem wir eines der kompliziertesten Planetensystemmodelle der bisherigen Exoplanetenliteratur entwickelt hatten', sagte Beard.

Die große Anzahl von Planeten ist ein Faktor, der das Astronomieteam dazu inspirierte, weitere Forschungen durchzuführen, sagte Mitautor Paul Robertson, außerordentlicher Professor für Physik und Astronomie an der UCI.

'Wir betrachten TOI-1136 aus Forschungssicht als sehr vorteilhaft, weil wir bei einem System mit mehreren Exoplaneten die Auswirkungen der planetaren Entwicklung kontrollieren können, die von dem Wirtsstern abhängen, und das hilft uns, uns auf individuelle physikalische Mechanismen zu konzentrieren, die zu diesen Planeten mit den von ihnen aufweisen Eigenschaften geführt haben', sagte er.

Robertson fügte hinzu, dass es viele Variablen gibt, die sich unterscheiden können, wenn Astronomen Planeten in getrennten Sonnensystemen vergleichen, basierend auf den unterschiedlichen Eigenschaften der Sterne und ihrer Positionen in verschiedenen Teilen der Galaxie. Er sagte, dass die Betrachtung von Exoplaneten im selben System die Untersuchung von Planeten ermöglicht, die eine ähnliche Geschichte erlebt haben.

Gemessen an stellaren Maßstäben ist TOI-1136 mit nur 700 Millionen Jahren jung, eine weitere Eigenschaft, die Exoplanetenjäger angezogen hat. Robertson sagte, dass junge Sterne sowohl 'schwierig als auch speziell' seien, weil sie so aktiv seien. Magnetismus, Sonnenflecken und Sonneneruptionen sind während dieser Phase der Sternentwicklung häufiger und intensiver, und die resultierenden Strahlungsausbrüche formen und beeinflussen Planeten und ihre Atmosphären.

Die bestätigten Exoplaneten von TOI-1136, TOI-1136 b bis TOI-1136 g, werden von den Experten als 'sub-Neptuns' eingestuft. Robertson sagte, der kleinste habe mehr als das doppelte des Erdumfangs und andere seien bis zu viermal so groß wie der Erdumfang, vergleichbar mit den Größen von Uranus und Neptun.

All diese Planeten umkreisen TOI-1136 in weniger als 88 Tagen, die Merkur benötigt, um die Sonne der Erde zu umrunden, so die Studie. 'Wir packen ein ganzes Sonnensystem in eine so kleine Region um den Stern, dass unser gesamtes planetarisches System hier außerhalb davon wäre', sagte Robertson.

'Für uns sind sie seltsame Planeten, denn wir haben nichts genau wie sie in unserem Sonnensystem', sagte Mitautor Rae Holcomb, Doktorandin für Physik an der UCI. 'Aber je mehr wir andere Planetensysteme untersuchen, desto mehr scheinen sie der häufigste Planetentyp in der Galaxie zu sein.'

Eine weitere eigenartige Komponente dieses Sonnensystems ist die mögliche, aber noch unbestätigte Existenz eines siebten Planeten. Die Forscher haben einige Hinweise auf eine weitere resonante Kraft im System entdeckt. Robertson erklärte, dass sich die Planeten, wenn sie sich nahe beieinander befinden, gravitativ gegenseitig anziehen können.

'When you hear a chord played on a piano and it sounds good to you, it's because there is resonance, or even spacing, between the notes that you're hearing,' he said. 'The orbital periods of these planets are spaced similarly. When the exoplanets are in resonance, the tugs are in the same direction every time. This can have a destabilizing effect, or in special cases, it can serve to make the orbits more stable.'

Robertson noted that far from answering all his team's questions about the exoplanets in this system, the survey has made the researchers want to pursue additional knowledge, particularly about the composition of planetary atmospheres. That line of inquiry would be best approached through the advanced spectroscopy capabilities of NASA's James Webb Space Telescope, he said.

'I am proud that both UCO's Lick Observatory and the Keck Observatories were involved in the characterization of a really important system,' said Matthew Shetrone, deputy director of UC Observatories. 'Having so many moderate-sized planets in the same system really lets us test formation scenarios. I really want to know more about these planets! Might we find a molten rock world, a water world and an ice world all in the same solar system? It almost feels like science fiction.'

Journal information: Astronomical Journal , arXiv

Provided by University of California, Irvine