Niezwykły układ trzech planet ma co najmniej jeszcze jedną planetę, ujawnioną przez jej grawitacyjne oddziaływanie na pozostałe planety.
Źródło: NASA, ESA, and L. Hustak, J. Olmsted, D. Player and F. Summers (STScI)
Zgodnie z nowymi badaniami przeprowadzonymi przez naukowców z Penn State University i Osaka University, niezwykły układ planetarny z trzema znanymi egzoplanetami o bardzo niskiej gęstości niezwykle „puszystymi” ma co najmniej jeszcze jedną planetę. Zespół badawczy postanowił zbadać Kepler-51 d, trzecią planetę w układzie Kepler-51, za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba, ale prawie przegapił swoją szansę, gdy planeta niespodziewanie przeszła przed swoją gwiazdą dwie godziny wcześniej niż przewidywały modele. Po przeanalizowaniu nowych i archiwalnych danych z różnych teleskopów kosmicznych i naziemnych, naukowcy odkryli, że najlepszym wyjaśnieniem jest obecność czwartej planety, której przyciąganie grawitacyjne wpływa na orbity innych planet w układzie.
Odkrycie nowej planety zostało szczegółowo opisane w artykule opublikowanym 3 grudnia 2024 roku w czasopiśmie Astronomical Journal.
Puszyste planety są bardzo nietypowe, ponieważ mają bardzo niską masę i niską gęstość – powiedziała Jessica Libby-Roberts, pracownik naukowy Centrum Egzoplanet i Światów nadających się do zamieszkania w Penn State University i współautorka artykułu. Trzy znane wcześniej planety, które krążą wokół gwiazdy Kepler-51, mają wielkość Saturna, ale masę zaledwie kilka raz większą niż masa Ziemi, co skutkuje gęstością przypominającą watę cukrową. Sądzimy, że mają one maleńkie jądra i ogromne atmosfery z wodoru i helu, ale jak powstały te dziwne planety i jak to się stało, że ich atmosfery nie zostały zdmuchnięte przez intensywne promieniowanie ich młodej gwiazdy, pozostaje tajemnicą. Planowaliśmy wykorzystać JWST do zbadania jednej z tych planet, aby pomóc odpowiedzieć na te pytania, ale teraz musimy wyjaśnić czwartą planetę o niskiej masie w układzie.
Kiedy planeta przechodzi przed swoją gwiazdą (tranzyt) względem obserwatora z Ziemi, blokuje część światła z gwiazdy, powodując niewielki spadek jej jasności. Czas trwania i wielkość tego spadku dostarcza wskazówek na temat wielkości planety i innych jej właściwości. Planety tranzytują po zakończeniu orbity wokół własnej gwiazdy, ale czasami tranzytują kilka minut wcześniej lub później, ponieważ oddziałuje na nie grawitacja innych planet w układzie. Te drobne różnice znane są jako wahania czasu tranzytu i są wbudowane w modele astronomów, aby umożliwić im dokładne przewidywanie, kiedy planety będą tranzytować.
Naukowcy stwierdzili, że nie mają powodu, by sądzić, że model trzech planet układu Kepler-51 był niedokładny i z powodzeniem wykorzystali ten model do przewidzenia czasu tranzytu Kepler-51 b w maju 2023 roku, a następnie za pomocą Apache Point Observatory (APO) zaobserwowali go zgodnie z przewidywaniami.
Próbowaliśmy również użyć teleskopu Penn State Davey Lab do obserwacji tranzytu Kepler-51 d w 2022 roku, ale chmury przesłoniły nam widok dokładnie w momencie, gdy przewidywano rozpoczęcie tranzytu – powiedziała Libby-Roberts. Możliwe, że wtedy dowiedzieliśmy się, że coś jest nie tak, ale nie mieliśmy powodu podejrzewać, że Kepler-51 d nie będzie tranzytował zgodnie z oczekiwaniami, kiedy planowaliśmy obserwować go za pomocą JWST.
Model trzech planet opracowany przez zespół przewidywał, że Kepler-51 d będzie tranzytował około godziny 2:00 czasu EDT w czerwcu 2023 roku, a naukowcy przygotowali się do obserwacji tego zdarzenia zarówno za pomocą JWST, jak i APO.
Na szczęście rozpoczęliśmy obserwacje kilka godzin wcześniej, aby ustalić punkt odniesienia, ponieważ nadeszła godzina 2, potem 3, a my wciąż nie zaobserwowaliśmy zmian jasności gwiazdy za pomocą APO – powiedziała Libby-Roberts. Po gorączkowym ponownym uruchomieniu naszych modeli i przeanalizowaniu danych odkryliśmy niewielki spadek jasności gwiazdy natychmiast po rozpoczęciu obserwacji za pomocą APO, co okazało się początkiem tranzytu dwie godziny wcześniej, co znacznie wykracza poza 15-minutowe okno niepewności z naszych modeli!
Kiedy naukowcy przeanalizowali nowe dane APO i JWST, potwierdzili, że udało im się uchwycić tranzyt Kepler-51 d, choć znacznie wcześniej niż oczekiwano.
Byliśmy naprawdę zaskoczeni wczesnym pojawieniem się Kepler-51 d i żadne dostrajanie modelu trzech planet nie mogło wyjaśnić tak dużej rozbieżności – powiedział Kento Masuda, profesor nadzwyczajny nauk o Ziemi i kosmosie na Uniwersytecie w Osace i współautor artykułu. Dopiero dodanie czwartej planety wyjaśniło tę różnicę. To pierwsza planeta odkryta na podstawie zmian czasu tranzytu przy użyciu JWST.
Aby pomóc wyjaśnić, co dzieje się w układzie Kepler-51, zespół badawczy ponownie przeanalizował poprzednie dane tranzytowe z teleskopu Keplera i satelity Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS). Przeprowadzili również nowe obserwacje planet wewnętrznych w układzie, w tym za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble’a i teleskopu Obserwatorium Palomar Kalifornijskiego Instytutu Technologicznego, a także uzyskali dane archiwalne z kilku teleskopów naziemnych. Ponieważ nowa planeta, Kepler-51 e, nie została jeszcze zaobserwowana jako tranzytująca – być może dlatego, że może nie przechodzić w linii widzenia między swoją gwiazdą a Ziemią – naukowcy zauważyli, jak ważne było uzyskanie jak największej liczby danych w celu wsparcia ich nowych modeli.
Przeprowadziliśmy tak zwane „brutalne wyszukiwanie”, testując wiele różnych kombinacji właściwości planet, aby znaleźć model czterech planet, który wyjaśnia wszystkie dane tranzytowe zebrane w ciągu 14 lat – powiedział Masuda. Odkryliśmy, że sygnał jest najlepiej wyjaśniony, jeżeli Kepler-51 e ma masę podobną do pozostałych trzech planet i podąża po dość kołowej orbicie trwającej około 264 dni – coś, czego spodziewaliśmy się, bazując na innych układach planetarnych. Inne możliwe rozwiązania, które znaleźliśmy, obejmują bardziej masywną planetę na szerszej orbicie, choć uważamy, że są one mniej prawdopodobne.
Uwzględnienie czwartej planety i dostosowanie modeli zmienia również oczekiwane masy innych planet w układzie. Według naukowców ma to wpływ na inne wnioskowane właściwości tych planet i informuje o tym, jak mogły się one uformować. Chociaż trzy wewnętrzne planety są nieco bardziej masywne niż wcześniej sądzono, nadal klasyfikują się jako bardzo puszyste. Nie jest jednak jasne, czy Kepler-51 e jest również taką planetą, ponieważ naukowcy nie zaobserwowali tranzytu Kepler-51 e, a zatem nie mogą obliczyć jej promienia ani gęstości.
Puszyste planety są dość rzadkie, a kiedy się pojawiają, są zazwyczaj jedynymi w układzie planetarnym – powiedziała Libby-Roberts. Jeżeli próba wyjaśnienia, w jaki sposób trzy puszyste planety uformowały się w jednym układzie, nie była wystarczającym wyzwaniem, teraz musimy wyjaśnić czwartą planetę, niezależnie od tego, czy jest puchata, czy nie. Nie możemy też wykluczyć dodatkowych planet w układzie.
Ponieważ naukowcy uważają, że Kepler-51 e ma orbitę trwającą 264 dni, stwierdzili, że potrzebny jest dodatkowy czas obserwacji, aby uzyskać lepszy obraz wpływu jego grawitacji – lub grawitacji dodatkowych planet – na trzy wewnętrzne planety w układzie.
Kepler-51 e ma nieco większą orbitę niż Wenus i znajduje się wewnątrz ekosfery gwiazdy, więc poza tą odległością może dziać się znacznie więcej, jeżeli poświęcimy czas na poszukiwania – powiedziała Libby-Roberts. Dalsze przyglądanie się zmianom czasu tranzytu może pomóc nam odkryć planety, które znajdują się z dala od swoich gwiazd i może pomóc w naszych poszukiwaniach planet, które potencjalnie mogłyby podtrzymywać życie.
Naukowcy analizują obecnie pozostałe dane z JWST, które mogą dostarczyć informacji na temat atmosfery Kepler-51 d. Twierdzą oni, że badanie składu i innych właściwości wewnętrznych trzech planet może również poprawić zrozumienie, w jaki sposób powstały niezwykłe planety o bardzo niskiej gęstości.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
PSU
