Jak wynika z nowych badań prowadzonych przez naukowców z Penn State i Uniwersytetu w Osace, niezwykły układ planetarny składający się z trzech znanych „superpuffowych” planet o bardzo małej gęstości ma co najmniej jeszcze jedną planetę więcej. Zespół badawczy wyruszył na badanie Kepler-51d, trzeciej planety w układzie, za pomocą należącego do NASA Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST), ale prawie przegapił swoją szansę, gdy planeta nieoczekiwanie przeszła przed swoją gwiazdą dwie godziny wcześniej, niż przewidywały modele. Po przeanalizowaniu nowych i archiwalnych danych z różnych teleskopów kosmicznych i ziemskich naukowcy odkryli, że najlepszym wyjaśnieniem jest obecność czwartej planety, której przyciąganie grawitacyjne wpływa na orbity pozostałych planet w układzie.
Odkrycie nowej planety zostało szczegółowo opisane w artykule opublikowanym 3 grudnia w czasopiśmie Astronomical Journal.
„Planety superpuchowe są bardzo niezwykłe, ponieważ mają bardzo małą masę i małą gęstość” – powiedziała Jessica Libby-Roberts, stażystka podoktorska Center for Exoplanets and Habitable Worlds w Penn State i współautorka artykułu. „Trzy znane wcześniej planety krążące wokół gwiazdy Kepler-51 mają mniej więcej wielkość Saturna, ale tylko kilka razy większą masę od Ziemi, co daje gęstość przypominającą watę cukrową. Uważamy, że mają maleńkie jądra i ogromną atmosferę wodoru helu, ale to, jak powstały te dziwne planety i jak ich atmosfery nie zostały zdmuchnięte przez intensywne promieniowanie ich młodej gwiazdy, pozostaje tajemnicą. Planowaliśmy wykorzystać JWST do zbadania jednej z tych planet, aby pomóc w odpowiedzi na te pytania, ale teraz my musimy wyjaśnić istnienie czwartej planety o małej masie w układzie!”
Kiedy planeta przechodzi przed swoją gwiazdą lub przechodzi przez nią, patrząc z Ziemi, blokuje część światła gwiazdy, powodując nieznaczny spadek jej jasności. Czas trwania i wielkość tego spadku dają wskazówki co do wielkości planety i innych cech. Planety przelatują, gdy kończą orbitę wokół swojej gwiazdy, ale czasami przechodzą kilka minut wcześniej lub później, ponieważ przyciąga je grawitacja innych planet w układzie. Te drobne różnice nazywane są zmianami w czasie tranzytu i są wbudowane w modele astronomów, aby umożliwić im dokładne przewidywanie tranzytu planet.
Naukowcy stwierdzili, że nie mają powodu sądzić, że składający się z trzech planet model układu Kepler-51 jest niedokładny, i z powodzeniem wykorzystali ten model do przewidywania czasu przelotu Kepler-51b w maju 2023 r., a następnie kontynuowali działania w ramach Obserwatorium Apache Point (APO), aby obserwować go zgodnie z harmonogramem.
„Próbowaliśmy także użyć teleskopu Penn State Davey Lab do obserwacji tranzytu Kepler-51d w 2022 r., ale niektóre chmury o nieodpowiednio ustawionym czasie zasłoniły nam widok w momencie przewidywanego rozpoczęcia tranzytu” – powiedziała Libby-Roberts. „Możliwe, że wtedy dowiedzieliśmy się, że coś jest nie tak, ale nie mieliśmy powodu podejrzewać, że Kepler-51d nie przeleci zgodnie z oczekiwaniami, kiedy planowaliśmy obserwować go za pomocą JWST”.
Model trzech planet opracowany przez zespół przewidywał, że Kepler-51d przeleci tranzyt około godziny 2 w nocy czasu wschodniego w czerwcu 2023 r., a badacze przygotowywali się do obserwacji tego zdarzenia zarówno za pomocą JWST, jak i APO.
„Dzięki Bogu, że zaczęliśmy obserwacje kilka godzin wcześniej, aby ustalić punkt odniesienia, ponieważ wybiła 2 w nocy, potem 3 w nocy, a my nadal nie zaobserwowaliśmy zmiany jasności gwiazdy za pomocą APO” – powiedziała Libby-Roberts. „Po gorączkowym ponownym uruchomieniu naszych modeli i przeanalizowaniu danych, natychmiast po rozpoczęciu obserwacji za pomocą APO odkryliśmy niewielki spadek jasności gwiazd, co ostatecznie oznaczało początek tranzytu – 2 godziny wcześniej, czyli znacznie powyżej 15-15:00. Minutowe okienko niepewności w przypadku naszych modeli!”
Kiedy naukowcy przeanalizowali nowe dane APO i JWST, potwierdzili, że uchwycili tranzyt Keplera-51d, aczkolwiek znacznie wcześniej niż oczekiwano.
„Byliśmy naprawdę zaskoczeni wczesnym pojawieniem się Keplera-51d i żadne precyzyjne dostrojenie modelu trzech planet nie mogło wyjaśnić tak dużej rozbieżności” – powiedział Kento Masuda, profesor nadzwyczajny nauk o Ziemi i kosmosie na Uniwersytecie w Osace współpierwszy autor artykułu. „Dopiero dodanie czwartej planety wyjaśniło tę różnicę. To pierwsza planeta odkryta w wyniku zmian czasu tranzytu za pomocą JWST”.
Aby pomóc wyjaśnić, co dzieje się w układzie Kepler-51, zespół badawczy ponownie przejrzał poprzednie dane dotyczące tranzytu z należącego do NASA teleskopu kosmicznego Kepler i należącego do NASA satelity Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS). Dokonali także nowych obserwacji planet wewnętrznych układu, w tym za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble'a i teleskopu Obserwatorium Palomar w Kalifornijskim Instytucie Technologicznym, a także uzyskali dane archiwalne z kilku teleskopów naziemnych. Ponieważ nie zaobserwowano jeszcze tranzytu nowej planety, Kepler-51e – być może dlatego, że może nie przejść ona w linii wzroku między swoją gwiazdą a Ziemią – naukowcy zauważyli, jak ważne było uzyskanie jak największej ilości danych, aby wspierać ich nowe modele.
„Przeprowadziliśmy tak zwane poszukiwania metodą brute-force, testując wiele różnych kombinacji właściwości planet, aby znaleźć model czterech planet, który wyjaśnia wszystkie dane dotyczące tranzytów zebrane w ciągu ostatnich 14 lat” – powiedział Masuda. „Odkryliśmy, że sygnał najlepiej wytłumaczyć, jeśli Kepler-51e ma masę podobną do pozostałych trzech planet i porusza się po dość kołowej orbicie trwającej około 264 dni – czegoś, czego moglibyśmy się spodziewać na podstawie innych układów planetarnych. Inne możliwe rozwiązania, które znaleźliśmy, obejmują bardziej masywną planetą na szerszej orbicie, chociaż uważamy, że jest to mniej prawdopodobne.”
Uwzględnienie czwartej planety i dostosowanie modeli zmienia również oczekiwane masy pozostałych planet w układzie. Według naukowców wpływa to na inne wywnioskowane właściwości tych planet i informuje, w jaki sposób mogły one powstać. Chociaż trzy wewnętrzne planety są nieco masywniejsze, niż wcześniej sądzono, nadal klasyfikuje się je jako superpuffy. Nie jest jednak jasne, czy Kepler-51e jest również planetą superpuffową, ponieważ badacze nie zaobserwowali tranzytu Kepler-51e i dlatego nie mogą obliczyć jego promienia ani gęstości.
„Planety superpuchowe są dość rzadkie, a jeśli już się zdarzają, to zazwyczaj są jedynymi w układzie planetarnym” – mówi Libby-Roberts. „Jeśli próba wyjaśnienia, w jaki sposób trzy super obłoki utworzyły się w jednym układzie, nie była wystarczająco trudna, teraz musimy wyjaśnić czwartą planetę, niezależnie od tego, czy jest to super obłok, czy nie. Nie możemy też wykluczyć dodatkowych planet w układzie. “
Ponieważ naukowcy uważają, że Kepler-51e krąży po orbicie trwającej 264 dni, stwierdzili, że potrzebny jest dodatkowy czas obserwacji, aby uzyskać lepszy obraz wpływu grawitacji Kepler-51e – lub dodatkowych planet – na trzy wewnętrzne planety układu .
„Kepler-51e ma orbitę nieco większą od Wenus i znajduje się tuż w ekosferze gwiazdy, więc poza tą odległością może wydarzyć się znacznie więcej, jeśli poświęcimy czas na przyjrzenie się” – mówi Libby-Roberts. „Dalsze przyglądanie się zmianom w czasie tranzytu może pomóc nam odkryć planety położone dalej od swoich gwiazd i może pomóc w poszukiwaniu planet, na których potencjalnie może istnieć życie”.
Naukowcy analizują obecnie resztę danych z JWST, które mogą dostarczyć informacji na temat atmosfery Kepler-51d. Badanie składu i innych właściwości trzech wewnętrznych planet może również pomóc w lepszym zrozumieniu procesu formowania się niezwykłych planet superpuffowych o bardzo małej gęstości – twierdzą naukowcy.
Oprócz Libby-Roberts i Masudy, którzy kierowali zespołem Kepler-51d, w skład międzynarodowego zespołu badawczego wchodzi John Livingston z Narodowego Obserwatorium Astronomicznego w Japonii, który koordynował większość naziemnych obserwacji uzupełniających; wielu obserwatorów naziemnych; zespół Kepler-51b; i zespół Palomara.
NASA wsparła te badania poprzez granty JWST i Kosmicznego Teleskopu Hubble'a. Obliczenia na potrzeby tego badania przeprowadzono w Instytucie Zaawansowanej CyberInfrastruktury Instytutu Obliczeń i Nauk o Danych Penn State.