TOI-700 D: Ein erdgroßer Exoplanet in seinem Stern "Goldlöckchen" Zone

Seit dem ersten Exoplanet vor einer Generation entdeckt wurde, haben Astronomen gelernt, das Unerwartete zu erwarten. Seit über zwanzig Jahren wird eine fantastische Fundgrube schräger Wunderwelten entdeckt. Tatsächlich sind einige dieser sehr fremden Planeten, die um Sterne jenseits unserer Sonne kreisen, so bizarr, dass Astronomen nie dachten, dass so etwas im Kosmos wirklich existieren könnte – das heißt, bis sie entdeckt wurden. Abgesehen von seltsamen fernen Welten ist der Heilige Gral der Planeten jagenden Astronomen seit langem dazu da, Welten zu finden, die eher wie zu Hause sind. Im Januar 2020 gaben Astronomen die Entdeckung einer so lang gesuchten Welt bekannt – der ersten, die von der NASA gefunden wurde Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS). Der ferne erdgroße Planet befindet sich bequem in seinem Stern Wohnbereich Die Wohnbereich eines Sterns ist der „Goldlöckchen“ -Abstand, bei dem die Bedingungen nicht zu heiß und nicht zu kalt sind, sondern „genau richtig“, damit sich flüssiges Wasser an der Oberfläche sammelt. Wo flüssiges Wasser existiert, kann auch Leben, wie wir es kennen, existieren.

Die erdähnliche Welt, genannt TOI-700 d, umkreist einen kleinen roten Zwergstern namens TOI-700, das ist nur 101,4 Lichtjahre entfernt im Dorado Konstellation. Dieser Stern ist der hellste bekannte Sternwirt eines Transits Wohnbereich, Erdgroße Welt. Das Akronym „SIE“ bezieht sich auf Sterne und Exoplaneten, die von . untersucht wurden TESS. Der rote Zwergstern, TOI-700, ist von der Spektralklasse m, und es beträgt 40% der Masse, 40% des Radius und 50% der Temperatur unserer Sonne. Der helle Stern weist auch eine geringe stellare Aktivität auf. Rote Zwergsterne sind die kleinsten – und auch die am häufigsten vorkommenden – echten nuklearverschmelzenden Sterne in unserer Milchstraße. Weil sie so klein und cool sind, können sie „leben“ für Billionen von Jahren. Im Gegensatz dazu kann unsere etwas größere Sonne nur 10 . „leben“. Milliarde Jahre. Sehr massereiche Sterne können nur Millionen von Jahren „leben“, weil ihre starke Hitze dazu führt, dass sie ihren Vorrat an Kernbrennstoff schneller verbrennen als ihre kleineren stellaren Verwandten. Je größer der Stern, desto kürzer sein „Leben“.

Die erste wissenschaftliche Entdeckung eines Exoplaneten wurde 1988 gemacht. Danach erfolgte die erste validierte Entdeckung 1992 mit der Entdeckung mehrerer terrestrischer Massenplaneten im Orbit um den Pulsar PSB B1257+12. Ein Pulsar sind die Überreste eines massereichen Sterns, der sein „Leben“ in einer Supernova-Explosion mit Kernkollaps (Typ II) beendet hat. Pulsare sind junge Neutronensterne, die geboren werden und sich schnell mit einer Regelmäßigkeit drehen, die häufig mit einem Leuchtturm auf der Erde verglichen wird. Es sind stadtgroße Objekte, die so dicht sind, dass ein Teelöffel voll ihres Materials so viel wiegen kann wie eine donnernde Herde wilder Pferde. Tatsächlich sind diese Baby-Neutronensterne ein riesiger Atomkern. Ein Pulsar war eines der letzten stellaren Objekte, von dem Astronomen dachten, dass es eine Familie von Planeten beherbergen würde – das heißt, bis sie entdeckt wurden. Die Pulsarplaneten waren die ersten einer langen Reihe von Exoplaneten-Entdeckungen. Sie sind feindliche kleine Welten, die gnadenlos mit den tödlichen Strahlen ihres Elternpulsars überschüttet werden.

Die erste Bestätigung eines Exoplaneten, der einen „normalen“ wasserstoffbrennenden Stern wie unsere Sonne umkreist, wurde 1995 gemacht. Diese neue Entdeckung erwies sich auch als überraschender Sonderling – ein riesiger Planet, der schnell und nahe seinem glühend heißen Stern kreist Elternteil. Der Planet, 51 Pegasi b, befindet sich in einer rötenden 4-Tage-Umlaufbahn um seinen Stern, 51 Pegasi. Wie sich herausstellte, war dieser große planetarische „Röster“ der erste einer neuen und unvorhergesehenen Klasse von Exoplaneten–heiße Jupiter–entdeckt zu werden. Schon seit 51 Peg b’s Entdeckung wurden viele andere dieser bizarren Art im Orbit um Sterne jenseits unserer Sonne beobachtet.

Einige Exoplaneten wurden direkt von Teleskopen abgebildet. Die überwiegende Mehrheit wurde jedoch über indirekte Methoden entdeckt, wie z Versandart, wobei ein Planet vor dem grellen Gesicht seines Muttersterns schwebend gefunden wird. Eine andere indirekte Methode – die Radialgeschwindigkeit Methode – hängt von der Erkennung eines winzigen Wackelns ab, das ein Planet im Orbit auf seinem Stern auslöst. Beide Versandart und der Radialgeschwindigkeitsmethode bevorzugen die Entdeckung massereicher Planeten, die sich in der Nähe ihres sengend heißen, feurigen Muttersterns befinden – und nicht kleiner erdähnlicher Welten, die ihren Stern in größerer – und bequemerer – Entfernung umkreisen.

Januar 2020 gibt es 4.160 bestätigte Exoplaneten, die 3.090 Systeme bewohnen, wobei 676 Systeme mehr als einen einsamen Planeten beherbergen.

TOI-700 d

Astronomen bestätigt TESS’s Entdeckung von TOI-700 d mit Infrarot der NASA Spitzer Weltraumteleskop, und sie haben Computermodelle der potenziellen Umgebungen des Planeten erstellt, um zukünftige Missionen zu informieren.

TOI-700 d hat den wichtigen Unterschied, dass er einer der wenigen erdgroßen Planeten ist, die bisher entdeckt wurden, um sich innerhalb der bewohnbaren Umgebung seines Elternsterns in einer Umlaufbahn zu befinden Goldlöckchen Zone. Andere umfassen mehrere Planeten, die innerhalb der TRAPPIST-1 -System sowie einige andere ferne Welten, die von NASAs entdeckt wurden Kepler-Weltraumteleskop.

TESS wurde speziell entwickelt und gestartet, um erdgroße Planeten zu finden, die nahe Sterne umkreisen. Planeten um nahe Sterne sind am einfachsten mit Zielteleskopen im Weltraum und auf der Erde zu verfolgen. Entdecken TOI-700 d ist eine zentrale wissenschaftliche Erkenntnis für TESS. Bestätigen der Größe des Planeten und des Status der bewohnbaren Zone mit Spitzer ist ein weiterer Gewinn für Spitzer da es sich diesem Januar dem Ende des wissenschaftlichen Betriebs nähert“, erklärte Dr. Paul Hertz in einem NASA-Bericht vom 6. Januar 2020 Pressemitteilung des Jet Propulsion Laboratory (JPL). Dr. Hertz ist Direktor für Astrophysik am NASA-Hauptquartier in Washington. Die JPL ist in Pasadena, Kalifornien.

TESS überwacht große Teile des Himmels, die als bezeichnet werden Abschnitte, 27 Tage am Stück. Dieser kontinuierliche, lange Blick ermöglicht es dem Satelliten, Veränderungen der stellaren Helligkeit zu erkennen, die von einem umkreisenden Planeten verursacht werden, der aus unserer Perspektive vor dem grellen Gesicht seines Sterns schwebt (Transit). Astronomen entdeckten mehrere Transite von TOI-700’s Trio von Planeten.

TOI-700 wurde ursprünglich in der falsch klassifiziert TESS Datenbank als ein Stern, der unserer eigenen Sonne ähnlicher ist, als dem kleineren, kühleren Roten Zwergstern, als der es sich herausstellte. Das bedeutet, dass das umlaufende Planetentrio zunächst größer und heißer erschien, als es tatsächlich ist. Mehrere Forscher, darunter Alton Spencer, ein Gymnasiast, der mit Mitgliedern der TESS Team, den Fehler entdeckt.

„Als wir die Parameter des Sterns korrigierten, sank die Größe der Planeten und wir stellten fest, dass der äußerste etwa die Größe der Erde hatte und in der Wohnbereich. Außerdem haben wir in 11 Monaten der Daten keine Flares vom Stern gesehen, was die Chancen verbessert TOI-700 d ist bewohnbar und erleichtert die Modellierung seiner atmosphärischen und Oberflächenbedingungen“, bemerkte Emily Gilbert im 6. Januar 2020 JPL-Pressemitteilung. Gilbert ist Doktorand an der University of Chicago.

Frau Gilbert und andere Wissenschaftler präsentierten die Ergebnisse auf der 235. Tagung der American Astronomical Society (AAS), die im Januar 2020 in Honolulu, Hawaii stattfand bei wissenschaftlichen Zeitschriften eingereicht wurde.

Das Innerste des Planetentrios, genannt TOI-700 b, ist fast genauso groß wie die Erde. Es ist wahrscheinlich eine felsige Welt, die alle 10 Tage eine Umlaufbahn absolviert. Der mittlere Planet, genannt TOI-700 c, ist 2,6-mal größer als die Erde – zwischen der Größe von Erde und Neptun. TOI-700 c umkreist seinen Mutterstern alle 16 Tage und ist wahrscheinlich eine gasförmige Welt. TOI-700 d, der äußerste bekannte Planet, der das System bewohnt und der einzige in den Goldlöckchen liegt Wohnbereich, ist 20 % größer als die Erde und umkreist seinen Stern alle 37 Tage. TOI-700 d erhält 86% der Energie von seinem stellaren Elternteil, die die Sonne der Erde liefert. Es wird angenommen, dass alle drei Planeten durch Gezeiten an ihren Stern gebunden sind. Das heißt, sie rotieren einmal pro Umlauf, sodass eine Seite ständig in der Helligkeit des Tageslichts sonnt.

Ein Team von Astronomen unter der Leitung von Dr. Joseph Rodriguez, einem Astronomen an der Harvard-Smithsonian Zentrum für Astrophysik (CfA), in Cambridge, Massachusetts, beantragte Folgebeobachtungen mit Spitzer bestätigen TOI-700 d.

„Angesichts der Auswirkungen dieser Entdeckung – dass es so ist TESS’s Erste Wohnbereich Erdgroßer Planet – wir wollten wirklich, dass unser Verständnis dieses Systems so konkret wie möglich ist. Spitzer sah TOI-700 D Transit genau dann, wenn wir es erwartet haben. Es ist eine großartige Ergänzung zum Erbe einer Mission, die dazu beigetragen hat, zwei der TRAPPIST-1 Planeten und identifizieren Sie fünf weitere“, kommentierte Dr. Rodriguez im 6. Januar 2020 JPL-Pressemitteilung.

Die Spitzer Daten stärkten das Vertrauen der Astronomen, dass SIE 700 d ist wirklich ein Planet, und haben auch ihre Messungen seiner Umlaufzeit um 56% und seiner Größe um 36% genauer gemacht. Darüber hinaus schloss es andere mögliche astrophysikalische Quellen des Transit Signal, wie die Existenz eines kleineren, schwächeren Begleitsterns, der im System lauert.

Dr. Rodriguez und sein Team nutzten auch Folgebeobachtungen, die von einem 1-Meter-Bodenteleskop im globalen Las Cumbres-Observatorium Netzwerk, um das Vertrauen der Astronomen in die Umlaufzeit und die Größe von TOI-700 c um 30 % bzw. 36 %.

Weil TOI-700 zeigt keine Anzeichen von stellaren Flares, ist hell und in der Nähe ist das System ein Hauptziel für genaue Massenmessungen durch bodengestützte Observatorien, die derzeit verfügbar sind. Diese Messungen könnten möglicherweise die Schätzungen von Astronomen bestätigen, dass die inneren und äußeren Planeten, die diesen kleinen Roten Zwerg umkreisen, felsig sind und dass der mittlere Planet aus Gas besteht.

Zukünftige Missionen könnten in der Lage sein, zu bestimmen, ob das Trio von Planeten Atmosphären hat – und wenn ja, sogar in der Lage sein, ihre Zusammensetzung zu identifizieren.

Auch wenn die genauen Bedingungen auf TOI-700 D derzeit unbekannt sind, können Astronomen die derzeit verfügbaren Informationen nutzen, um Modelle zu erstellen und Vorhersagen zu treffen. Die jetzt verfügbaren Informationen zeigen sowohl die Größe als auch die Art des Sterns, den er umkreist. Astronomen bei der NASA Goddard Space Flight Center (GSFC) in Greenbelt, Maryland, erstellte Modelle von 20 möglichen Umgebungen von TOI-700 D um festzustellen, ob eine Version zu Oberflächentemperaturen und -drücken führen würde, die es bewohnbar machen würden.

Ihre 3D-Klimamodelle untersuchten eine Vielzahl atmosphärischer Zusammensetzungen und Oberflächentypen, die normalerweise mit dem verbunden sind, was Wissenschaftler als potenziell bewohnbare Welten betrachten. Weil TOI-700 d Gezeiten an seinen stellaren Elternteil gebunden ist, können sich die Windmuster und Wolkenformationen des Planeten stark von denen auf unserem eigenen Planeten unterscheiden.

Eine Simulation beinhaltete eine ozeanbedeckte TOI-700 d. Dieses Modell beinhaltete auch eine dichte, von Kohlendioxid dominierte Atmosphäre für diese ferne Welt. Diese Art von Atmosphäre ähnelt der, die viele Wissenschaftler vorschlagen, um den Mars zu umgeben, als er jung war. Die Modellatmosphäre weist auch eine tiefe Wolkenschicht auf der sternzugewandten Seite auf. Ein anderes Modell porträtiert TOI-700 d als wolkenlose Welt ist das eine All-Land-Version der Erde. Auf dieser Art von Welt rauschen Winde von der Nachtseite des Planeten weg und konvergieren dann an dem Punkt, der direkt dem grellen Licht des Muttersterns zugewandt ist.

Wenn Sternenlicht durch die Atmosphäre eines Planeten fließt, tanzt es mit Molekülen wie Kohlendioxid und Stickstoff, um eindeutige Signale zu erzeugen. Diese Signale werden als bezeichnet Spektrallinien. Das Team der Modellierungswissenschaftler um Dr. Gabrielle Englemann-Suissa, a Universitäten Gesellschaft für Weltraumforschung Gastwissenschaftler bei Goddard, erstellte simulierte Spektren für die 20 modellierten Versionen von TOI-700 d.

„Eines Tages, wenn wir echte Spektren von TOI-700 d, können wir zurückverfolgen und dies dann einem Modell zuordnen. Es ist aufregend, denn egal, was wir über den Planeten herausfinden, er wird ganz anders aussehen als das, was wir hier auf der Erde haben“, sagte Dr. Englemann-Suissa am 6. Januar 2020 der Presse.

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