Eine mit Wasser bedeckte extrasolare Welt?

Ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Charles Cadieux, Ph.D. Student an der Université de Montréal und Mitglied des Institute for Research on Exoplanets (iREx), hat die Entdeckung von TOI-1452 b bekannt gegeben, einem Exoplaneten, der einen von zwei kleinen Sternen in einem Doppelsternsystem umkreist, das sich in der Draco-Konstellation befindet, etwa 100 Licht- Jahre von der Erde.

Der Exoplanet ist etwas größer und schwerer als die Erde und befindet sich in einer Entfernung von seinem Stern, wo seine Temperatur weder zu heiß noch zu kalt wäre, als dass flüssiges Wasser auf seiner Oberfläche existieren könnte. Die Astronomen glauben, dass es sich um einen „Ozeanplaneten“ handeln könnte, einen Planeten, der vollständig von einer dicken Wasserschicht bedeckt ist, ähnlich wie einige Monde von Jupiter und Saturn.

In einem heute veröffentlichten Artikel in Das Astronomische Journalbeschreiben Cadieux und sein Team die Beobachtungen, die die Natur und Eigenschaften dieses einzigartigen Exoplaneten aufgeklärt haben.

„Ich bin sehr stolz auf diese Entdeckung, weil sie das hohe Niveau unserer Forscher und Instrumente zeigt“, sagte René Doyon, Professor an der Université de Montréal und Direktor von iREx und des Observatoire du Mont-Mégantic (OMM). „Es ist dem OMM, einem speziellen Instrument namens SPIRou, das in unseren Labors entwickelt wurde, und einer innovativen Analysemethode, die von unserem Forschungsteam entwickelt wurde, zu verdanken, dass wir diesen einzigartigen Exoplaneten entdecken konnten.“

Auf die Spur dieses Exoplaneten brachte das NASA-Weltraumteleskop TESS, das den gesamten Himmel auf der Suche nach nahen Planetensystemen durchsucht. Basierend auf dem TESS-Signal, das alle 11 Tage eine leichte Abnahme der Helligkeit zeigte, sagten Astronomen einen Planeten voraus, der etwa 70 % größer ist als die Erde.

Charles Cadieux gehört zu einer Gruppe von Astronomen, die Folgebeobachtungen von Kandidaten durchführen, die von TESS identifiziert wurden, um ihren Planetentyp und ihre Eigenschaften zu bestätigen. Er verwendet PESTO, eine Kamera, die am OMM-Teleskop installiert ist und von Professor David Lafrenière von der Université de Montréal und seinem Ph.D. Schüler François-René Lachapelle.

„Das OMM spielte eine entscheidende Rolle bei der Bestätigung der Natur dieses Signals und der Abschätzung des Planetenradius“, erklärte Cadieux. „Das war keine Routineprüfung. Wir mussten sicherstellen, dass das von TESS entdeckte Signal wirklich von einem Exoplaneten verursacht wurde, der TOI-1452 umkreist, den größten der beiden Sterne in diesem Doppelsternsystem.“

Der Zentralstern TOI-1452 ist viel kleiner als unsere Sonne und einer von zwei ähnlich großen Sternen im Doppelsternsystem. Die beiden Sterne umkreisen einander und sind durch eine so geringe Entfernung voneinander getrennt – 97 Astronomische Einheiten oder etwa das Zweieinhalbfache der Entfernung zwischen Sonne und Pluto – dass das TESS-Teleskop sie als einen einzigen Lichtpunkt sieht. Aber die Auflösung von PESTO ist hoch genug, um die beiden Objekte zu unterscheiden, und die Bilder zeigten, dass der Exoplanet TOI-1452 umkreist, was durch nachfolgende Beobachtungen eines japanischen Teams bestätigt wurde.

Einfallsreichtum bei der Arbeit

Um die Masse des Planeten zu bestimmen, beobachteten die Forscher das System dann mit SPIRou, einem Instrument, das am Canada-France-Hawaii Telescope in Hawaii installiert ist. SPIRou wurde größtenteils in Kanada entwickelt und eignet sich ideal für die Untersuchung von Sternen mit geringer Masse wie TOI-1452, da es im Infrarotspektrum arbeitet, wo diese Sterne am hellsten sind. Schon damals waren mehr als 50 Beobachtungsstunden erforderlich, um die Masse des Planeten abzuschätzen, von der angenommen wird, dass sie fast fünfmal so groß ist wie die der Erde.

Die Forscher Étienne Artigau und Neil Cook, ebenfalls mit iREx an der Université de Montréal, spielten eine Schlüsselrolle bei der Analyse der Daten. Sie entwickelten eine leistungsstarke Analysemethode, die in der Lage ist, den Planeten in den mit SPIRou gesammelten Daten zu erkennen. „Die LBL-Methode [for line-by-line] ermöglicht es uns, die mit SPIRou gewonnenen Daten von vielen Parasitensignalen zu bereinigen und die schwache Signatur von Planeten wie dem von unserem Team entdeckten aufzudecken“, erklärt Artigau.

Zum Team gehören auch die Quebecer Forscher Farbod Jahandar und Thomas Vandal, zwei Ph.D. Studenten der Université de Montréal. Jahandar analysierte die Zusammensetzung des Wirtssterns, was nützlich ist, um die innere Struktur des Planeten einzuschränken, während Vandal an der Analyse der mit SPIRou gesammelten Daten beteiligt war.

Eine Wasserwelt

Der Exoplanet TOI-1452 b ist wahrscheinlich felsig wie die Erde, aber sein Radius, seine Masse und seine Dichte deuten auf eine Welt hin, die sich sehr von unserer unterscheidet. Die Erde ist im Wesentlichen ein sehr trockener Planet; Auch wenn wir ihn manchmal den Blauen Planeten nennen, weil etwa 70 % seiner Oberfläche von Ozeanen bedeckt sind, macht Wasser tatsächlich nur einen vernachlässigbaren Bruchteil seiner Masse aus – weniger als 1 %.

Wasser kann auf einigen Exoplaneten viel häufiger vorkommen. In den letzten Jahren haben Astronomen den Radius und die Masse vieler Exoplaneten mit einer Größe zwischen der Erde und Neptun (etwa 3,8-mal größer als die Erde) identifiziert und bestimmt. Einige dieser Planeten haben eine Dichte, die nur erklärt werden kann, wenn ein großer Teil ihrer Masse aus leichteren Materialien besteht als denen, aus denen die innere Struktur der Erde besteht, wie beispielsweise Wasser. Diese hypothetischen Welten wurden „Ozeanplaneten“ genannt.

„TOI-1452 b ist einer der besten Kandidaten für einen Ozeanplaneten, den wir bisher gefunden haben“, sagte Cadieux. „Sein Radius und seine Masse deuten auf eine viel geringere Dichte hin, als man es von einem Planeten erwarten würde, der im Wesentlichen aus Metall und Gestein besteht, wie die Erde.“

Mykhaylo Plotnykov und Diana Valencia von der University of Toronto sind Spezialisten für die Modellierung des Inneren von Exoplaneten. Ihre Analyse von TOI-1452 b zeigt, dass Wasser bis zu 30 % seiner Masse ausmachen kann, ein ähnlicher Anteil wie bei einigen natürlichen Satelliten in unserem Sonnensystem, wie den Jupitermonden Ganymed und Callisto und den Saturnmonden Titan und Enceladus .

Fortgesetzt werden…

Ein Exoplanet wie TOI-1452 b ist ein perfekter Kandidat für die weitere Beobachtung mit dem James Webb Space Telescope, kurz Webb. Es ist einer der wenigen bekannten gemäßigten Planeten, die Eigenschaften aufweisen, die mit einem Ozeanplaneten übereinstimmen. Es ist nahe genug an der Erde, dass Forscher hoffen können, seine Atmosphäre zu untersuchen und diese Hypothese zu testen. Und glücklicherweise befindet es sich in einer Himmelsregion, die das Teleskop ganzjährig beobachten kann.

„Unsere Beobachtungen mit dem Webb-Teleskop werden wesentlich sein, um TOI-1452 b besser zu verstehen“, sagte Doyon, der einen Überblick über die Konzeption von James Webbs Komponente NIRISS gab. „Sobald wir können, werden wir auf Webb Zeit buchen, um diese seltsame und wunderbare Welt zu beobachten.“

Der Artikel „TOI-1452 b: SPIRou und TESS offenbaren eine Supererde in einer gemäßigten Umlaufbahn, die einen M4-Zwerg durchläuft“ wurde am 12. August 2022 veröffentlicht Das Astronomische Journal. Neben Charles Cadieux, René Doyon, Étienne Artigau, Neil Cook, Farbod Jahandar und Thomas Vandal am iREx der Université de Montréal umfasst das Forschungsteam Nicolas B. Cowan (iREx, MSI, McGill, Kanada); Björn Benneke, Stefan Pelletier und Antoine Darveau-Bernier (iREx, UdeM, Kanada); Ryan Cloutier, ehemaliges Mitglied von iREx (Harvard, USA); und Co-Autoren von der University of Toronto, Frankreich, Brasilien, den Vereinigten Staaten, Japan, Spanien, der Schweiz, Portugal, Ungarn, Deutschland und der Krim.