Se descubre un nuevo exoplaneta del tamaño de Neptuno con una atmósfera sustancial madura para su estudio

Un grupo internacional de colaboradores, incluidos científicos del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA y la Universidad de Nuevo México, han descubierto un nuevo exoplaneta templado del tamaño de un subneptuno con un período orbital de 24 días que orbita una estrella enana M cercana. El reciente descubrimiento ofrece interesantes oportunidades de investigación gracias a la atmósfera sustancial del planeta, la pequeña estrella y la rapidez con que el sistema se aleja de la Tierra.

La investigación, titulada TOI-1231 b: Un planeta templado del tamaño de Neptuno en tránsito por la cercana enana M3 NLTT 24399, se publicará en un número futuro de The Astronomical Journal. El exoplaneta, TOI-1231 b, fue detectado usando datos fotométricos del Satélite de Estudio de Exoplanetas en Tránsito (TESS) y seguido con observaciones usando el Espectrógrafo Buscador de Planetas (PFS) en el telescopio Magellan Clay en el Observatorio Las Campanas en Chile. El PFS es un sofisticado instrumento que detecta exoplanetas a través de su influencia gravitacional en sus estrellas anfitrionas. A medida que los planetas orbitan alrededor de sus anfitriones, las velocidades estelares medidas varían periódicamente, revelando la presencia planetaria y la información sobre su masa y órbita.

La estrategia de observación adoptada por el TESS de la NASA, que divide cada hemisferio en 13 sectores que se examinan durante aproximadamente 28 días, está produciendo la búsqueda de todo el cielo más completa para los planetas en tránsito. Este enfoque ya ha demostrado su capacidad para detectar planetas grandes y pequeños alrededor de estrellas que van desde estrellas enanas M similares al sol hasta estrellas enanas M de baja masa. Las estrellas enanas M, también conocidas como enanas rojas, son el tipo de estrella más común en la Vía Láctea y constituyen alrededor del 70 por ciento de todas las estrellas de la galaxia.

Las enanas M son más pequeñas y poseen una fracción de la masa del sol y tienen poca luminosidad. Debido a que una enana M es más pequeña, cuando un planeta de un tamaño determinado transita por la estrella, la cantidad de luz bloqueada por el planeta es mayor, lo que hace que el tránsito sea más fácilmente detectable. Imagínese un planeta parecido a la Tierra que pasa frente a una estrella del tamaño del sol, va a bloquear un poquito de luz; pero si pasa frente a una estrella mucho más pequeña, la proporción de luz bloqueada será mayor. En cierto sentido, esto crea una sombra más grande en la superficie de la estrella, lo que hace que los planetas alrededor de las enanas M sean más fácilmente detectables y más fáciles de estudiar.

Aunque permite la detección de exoplanetas en el cielo, la estrategia de estudio de TESS también produce sesgos de observación significativos basados en el período orbital. Los exoplanetas deben transitar por sus estrellas anfitrionas al menos dos veces dentro del rango de observación de TESS para ser detectados con el período correcto por la tubería del Centro de Operaciones de Procesamiento Científico (SPOC) y la tubería de Mirada Rápida (QLP), que buscan los 2 minutos y 30- datos TESS de cadencia minuto, respectivamente. Debido a que el 74 por ciento de la cobertura total del cielo de TESS solo se observa durante 28 días, la mayoría de los exoplanetas TESS detectados tienen períodos de menos de 14 días. El período de 24 días de TOI-1231b, por lo tanto, hace que su descubrimiento sea aún más valioso.

La científica del JPL de la NASA Jennifer Burt, autora principal del artículo, junto con sus colaboradores, incluida Diana Dragomir, profesora asistente en el Departamento de Física y Astronomía de la UNM, midieron tanto el radio como la masa del planeta.

“Trabajando con un grupo de excelentes astrónomos repartidos por todo el mundo, pudimos reunir los datos necesarios para caracterizar la estrella anfitriona y medir tanto el radio como la masa del planeta”, dijo Burt. “Esos valores, a su vez, nos permitieron calcular la densidad aparente del planeta y formular hipótesis sobre de qué está hecho el planeta. TOI-1231 b es bastante similar en tamaño y densidad a Neptuno, por lo que creemos que tiene una atmósfera gaseosa igualmente grande «.

“Otra ventaja de los exoplanetas que orbitan alrededor de huéspedes enanos M es que podemos medir sus masas más fácilmente porque la relación entre la masa del planeta y la masa estelar también es mayor. Cuando la estrella es más pequeña y menos masiva, los métodos de detección funcionan mejor porque de repente el planeta juega un papel más importante ya que se destaca más fácilmente en relación con la estrella ”, explicó Dragomir. “Como la sombra proyectada sobre la estrella. Cuanto más pequeña es la estrella, menos masiva es la estrella, más se puede detectar el efecto del planeta.

“Aunque TOI 1231b está ocho veces más cerca de su estrella que la Tierra del Sol, su temperatura es similar a la de la Tierra, gracias a su estrella anfitriona más fría y menos brillante”, dice Dragomir. «Sin embargo, el planeta en sí es en realidad más grande que la Tierra y un poco más pequeño que Neptuno; podríamos llamarlo subneptuno».

Burt y Dragomir, quienes en realidad iniciaron esta investigación mientras eran becarios en el Instituto Kavli del MIT, trabajaron con científicos especializados en observar y caracterizar las atmósferas de los planetas pequeños para descubrir qué misiones espaciales actuales y futuras podrían mirar en TOI. Las capas externas de 1231 b para informar a los investigadores exactamente qué tipos de gases se arremolinan alrededor del planeta. Con una temperatura de alrededor de 330 Kelvin o 140 grados Fahrenheit, TOI-1231b es uno de los exoplanetas pequeños más fríos accesibles para los estudios atmosféricos descubiertos hasta ahora.

Investigaciones anteriores sugieren que los planetas tan fríos pueden tener nubes altas en sus atmósferas, lo que dificulta determinar qué tipos de gases los rodean. Pero las nuevas observaciones de otro planeta pequeño y frío llamado K2-18 b rompieron esta tendencia y mostraron evidencia de agua en su atmósfera, sorprendiendo a muchos astrónomos.

“TOI-1231 b es uno de los únicos otros planetas que conocemos en un tamaño y rango de temperatura similares, por lo que las observaciones futuras de este nuevo planeta nos permitirán determinar qué tan común (o raro) es que se formen nubes de agua alrededor de estos mundos templados ”, dijo Burt.

Además, con el alto brillo del infrarrojo cercano (NIR) de su estrella anfitriona, es un objetivo emocionante para futuras misiones con el Telescopio Espacial Hubble (HST) y el Telescopio Espacial James Webb (JWST). El primer conjunto de estas observaciones, dirigido por uno de los coautores del artículo, debería tener lugar a finales de este mes utilizando el Telescopio Espacial Hubble.

“La baja densidad de TOI 1231b indica que está rodeado por una atmósfera sustancial en lugar de ser un planeta rocoso. ¡Pero se desconoce la composición y el alcance de esta atmósfera! » dijo Dragomir. “TOI1231b podría tener una gran atmósfera de hidrógeno o hidrógeno-helio, o una atmósfera de vapor de agua más densa. Cada uno de estos apuntaría a un origen diferente, lo que permitiría a los astrónomos comprender si los planetas se forman de manera diferente alrededor de las enanas M y cómo los comparamos con los planetas alrededor de nuestro Sol, por ejemplo. Nuestras próximas observaciones del HST comenzarán a responder estas preguntas, y JWST promete una mirada aún más exhaustiva a la atmósfera del planeta ”.

Otra forma de estudiar la atmósfera del planeta es investigar si se está expulsando gas, buscando evidencia de átomos como el hidrógeno y el helio que rodean al planeta mientras transita por la cara de su estrella anfitriona. Generalmente, los átomos de hidrógeno son casi imposibles de detectar porque su presencia está enmascarada por gas interestelar. Pero este sistema planeta-estrella ofrece una oportunidad única para aplicar este método debido a la rapidez con la que se aleja de la Tierra.

“Uno de los resultados más intrigantes de las últimas dos décadas de la ciencia de los exoplanetas es que, hasta ahora, ninguno de los nuevos sistemas planetarios que hemos descubierto se parece en nada a nuestro propio sistema solar”, dijo Burt. “Están llenos de planetas del tamaño de la Tierra y Neptuno en órbitas mucho más cortas que las de Mercurio, por lo que no tenemos ningún ejemplo local con el que compararlos. Este nuevo planeta que hemos descubierto todavía es extraño, pero está un paso más cerca de parecerse a los planetas de nuestro vecindario. En comparación con la mayoría de los planetas en tránsito detectados hasta ahora, que a menudo tienen temperaturas abrasadoras de varios cientos o miles de grados, TOI-1231 b es positivamente frío «.

Para concluir, Dragomir reflexiona que “este planeta se une a las filas de solo dos o tres pequeños exoplanetas cercanos que serán examinados con cada oportunidad que tengamos y utilizando una amplia gama de telescopios, en los próximos años, así que esté atento al nuevo TOI1231b desarrollos! «

Referencia: «TOI-1231 b: Un planeta templado del tamaño de Neptuno en tránsito por el cercano enano M3 NLTT 24399» por Jennifer A. Burt, Diana Dragomir, Paul Mollière, Allison Youngblood, Antonio García Muñoz, John McCann, Laura Kreidberg, Chelsea X . Huang, Karen A. Collins, Jason D. Eastman, Lyu Abe, Jose M. Almenara, Ian JM Crossfield, Carl Ziegler, Joseph E. Rodriguez, Eric E. Mamajek, Keivan G. Stassun, Samuel P. Halverson, Steven Jr . Villanueva, R. Paul Butler, Sharon Xuesong Wang, Richard P. Schwarz, George R. Ricker, Roland Vanderspek, David W. Latham, S. Seager, Joshua N. Winn, Jon M. Jenkins, Abdelkrim Agabi, Xavier Bonfils, David Ciardi, Marion Cointepas, Jeffrey D. Crane, Nicolas Crouzet, Georgina Dransfield, Fabo Feng, Elise Furlan, Tristan Guillot, Arvind F. Gupta, Steve B. Howell, Eric LN Jensen, Nicholas Law, Andrew W. Mann, Wenceslas Marie -Sainte, Rachel A. Matson, Elisabeth C. Matthews, Djamel Mékarnia, Joshua Pepper, Nic Scott, Stephen A. Shectman, Joshua E. Schlieder, François-Xavi er Schmider, Daniel J. Stevens, Johanna K. Teske, Amaury HMJ Triaud, David Charbonneau, Zachory K. Berta-Thompson, Christopher J. Burke, Tansu Daylan, Thomas Barclay, Bill Wohler y CE Brasseurs, aceptado, The Astronomical Journal.

arXiv: 2105.08077