Z pomocą kosmicznego teleskopu CHEOPS międzynarodowy zespół europejskich astronomów zdołał jednoznacznie zidentyfikować istnienie czterech nowych egzoplanet. Cztery mini-Neptuny są mniejsze i chłodniejsze oraz trudniejsze do znalezienia niż tak zwane gorące egzoplanety Jowisza, których znajduje się w obfitości. Dwa z czterech powstałych artykułów są kierowane przez naukowców z Uniwersytetu w Bernie i Uniwersytetu w Genewie, którzy są również członkami Narodowego Centrum Kompetencji w dziedzinie Badań (NCCR) PlanetS.
CHEOPS to wspólna misja Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA) i Szwajcarii pod przewodnictwem Uniwersytetu w Bernie we współpracy z Uniwersytetem Genewskim. Od czasu wystrzelenia w grudniu 2019 r. niezwykle precyzyjne pomiary CHEOPS przyczyniły się do kilku kluczowych odkryć w dziedzinie egzoplanet.
Członkowie NCCR PlanetS, dr Solène Ulmer-Moll z uniwersytetów w Bernie i Genewie oraz dr Hugh Osborn z uniwersytetu w Bernie, wykorzystali wyjątkową synergię CHEOPS i satelity NASA TESS, aby wykryć serię nieuchwytnych egzoplanet. Planety, zwane odpowiednio TOI 5678 b i HIP 9618 c, są wielkości Neptuna lub nieco mniejsze i mają promień Ziemi 4,9 i 3,4. Odpowiednie artykuły zostały właśnie opublikowane w czasopismach Astronomy & Astrophysics oraz Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Publikując w tych samych czasopismach, dwaj inni członkowie międzynarodowego zespołu, Amy Tuson z University of Cambridge (Wielka Brytania) i dr Zoltán Garai z ELTE Gothard Astrophysical Observatory (Węgry), wykorzystali tę samą technikę do zidentyfikowania dwóch podobnych planet w innych systemy.
Synergia dwóch satelitów
Satelita CHEOPS obserwuje jasność gwiazd, aby uchwycić lekkie pociemnienie, które pojawia się, gdy orbitująca planeta przechodzi na tle swojej gwiazdy z naszego punktu widzenia. Poszukując tych zjawisk pociemniających, zwanych „tranzytami”, naukowcy byli w stanie odkryć większość z tysięcy egzoplanet, o których wiadomo, że krążą wokół gwiazd innych niż nasze Słońce.
„Należący do NASA satelita TESS doskonale radzi sobie z wykrywaniem tranzytów egzoplanet, nawet najtrudniejszych małych planet. Zmienia jednak pole widzenia co 27 dni, aby szybko przeskanować większą część nieba, co uniemożliwia mu znalezienie planet na dłuższych orbitach okresy”, wyjaśnia Hugh Osborn. Mimo to satelita TESS był w stanie zaobserwować pojedyncze tranzyty wokół gwiazd TOI 5678 i HIP 9618. Po powrocie w to samo pole widzenia po dwóch latach mógł ponownie zaobserwować podobne tranzyty wokół tych samych gwiazd. Mimo tych obserwacji nadal nie można było jednoznacznie stwierdzić obecności planet wokół tych gwiazd, ponieważ informacje były niepełne.
„W tym miejscu do gry wkracza CHEOPS: Skupiając się jednocześnie na pojedynczej gwieździe, CHEOPS jest kontynuacją misji, która idealnie nadaje się do kontynuowania obserwacji tych gwiazd w celu znalezienia brakujących fragmentów informacji” – uzupełnia Solène Ulmer-Moll.
Długa gra „w chowanego”
Podejrzewając obecność egzoplanet, zespół CHEOPS opracował metodę pozwalającą uniknąć marnowania ślepo cennego czasu na obserwacje w nadziei na wykrycie dodatkowych tranzytów. Przyjęli ukierunkowane podejście oparte na bardzo nielicznych wskazówkach dostarczonych przez tranzyty zaobserwowane przez TESS. Na tej podstawie Osborn opracował oprogramowanie, które proponuje i nadaje priorytet okresom kandydującym dla każdej planety. „Następnie gramy w coś w rodzaju gry w chowanego z planetami, używając satelity CHEOPS”, jak mówi Osborn.
„Wskazujemy CHEOPS-owi cel w określonym czasie i w zależności od tego, czy obserwujemy tranzyt, czy nie, możemy wyeliminować niektóre możliwości i spróbować ponownie w innym czasie, dopóki nie będzie unikalnego rozwiązania dla okresu orbitalnego”. Naukowcy potrzebowali odpowiednio pięciu i czterech prób, aby jednoznacznie potwierdzić istnienie dwóch egzoplanet i ustalić, że okres TOI 5678 b wynosi 48 dni, podczas gdy HIP 9618 c ma okres 52,5 dnia.
Idealne cele dla JWST
Na tym historia naukowców się nie kończy. Dzięki nowo odkrytym ograniczonym okresom mogli przejść do obserwacji naziemnych przy użyciu innej techniki zwanej prędkością radialną, co umożliwiło zespołowi określenie mas odpowiednio 20 i 7,5 masy Ziemi dla TOI 5678 b i HIP 9618 c. Znana jest zarówno wielkość, jak i masa planety, a jej gęstość jest znana, a naukowcy mogą zorientować się, z czego jest zbudowana. Jednak w przypadku mini-Neptunów gęstość nie jest wystarczająca i nadal istnieje kilka hipotez dotyczących składu planet: mogą to być planety skaliste z dużą ilością gazu lub planety bogate w wodę i bardzo parną atmosferę ”, wyjaśnia Ulmer-Moll. „Ponieważ cztery nowo odkryte egzoplanety krążą wokół jasnych gwiazd, czynią je również głównymi celami misji Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba JWST, która może pomóc w rozwiązaniu zagadki ich składu” – kontynuuje Ulmer-Moll.
Większość obserwowanych dotychczas atmosfer egzoplanet pochodziła z gorących jowiszów, które są bardzo dużymi i gorącymi egzoplanetami krążącymi blisko swojej gwiazdy macierzystej. „Cztery nowe planety, które wykryliśmy, mają znacznie bardziej umiarkowane temperatury „zaledwie” od 217 do 277ºC. Temperatury te umożliwiają przetrwanie chmurom i cząsteczkom, które w przeciwnym razie zostałyby zniszczone przez intensywne ciepło gorących jowiszów. I mogą potencjalnie zostać wykryte przez JWST”, jak wyjaśnia Osborn. Mniejsze rozmiary i dłuższy okres orbitalny niż Gorące Jowisze, cztery nowo wykryte planety są pierwszym krokiem w kierunku obserwacji tranzytujących planet podobnych do Ziemi.