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Un insolito sistema planetario con tre pianeti “super-morbidi” a bassissima densità ha almeno un altro pianeta, secondo una nuova ricerca condotta da ricercatori della Penn State e dell’Università di Osaka.
Un insolito sistema planetario con tre pianeti “super-puff” a bassissima densità ha almeno un altro pianeta, secondo una nuova ricerca condotta da ricercatori della Penn State e dell’Università di Osaka.
Il team di ricerca ha deciso di studiare Kepler-51d, il terzo pianeta del sistema, con il James Webb Space Telescope (JWST) della NASA, ma ha quasi perso l’occasione quando il pianeta è passato inaspettatamente davanti alla sua stella due ore prima di quanto previsto dai modelli.
Dopo aver esaminato i dati nuovi e d’archivio provenienti da una varietà di telescopi spaziali e terrestri, i ricercatori hanno scoperto che la migliore spiegazione è la presenza di un quarto pianeta, la cui attrazione gravitazionale influisce sulle orbite degli altri pianeti del sistema.
La scoperta del nuovo pianeta è dettagliata in un articolo apparso su The Astronomical Journal.
“I pianeti super morbidi sono molto insoliti in quanto hanno una massa molto bassa e una bassa densità”, ha detto Jessica Libby-Roberts, borsista post-dottorato del Center for Exoplanets and Habitable Worlds presso la Penn State e co-prima autrice dell’articolo.
“I tre pianeti precedentemente noti che orbitano attorno alla stella Kepler-51 hanno all’incirca le dimensioni di Saturno, ma solo poche volte la massa della Terra, risultando in una densità simile allo zucchero filato.
Pensiamo che abbiano nuclei minuscoli ed enormi atmosfere di idrogeno ed elio, ma come si siano formati questi strani pianeti e come le loro atmosfere non siano state spazzate via dall’intensa radiazione della loro giovane stella è rimasto un mistero. Abbiamo pianificato di utilizzare JWST per studiare uno di questi pianeti per aiutare a rispondere a queste domande, ma ora dobbiamo spiegare un quarto pianeta di piccola massa nel sistema”.
Quando un pianeta passa davanti alla sua stella blocca parte della luce della stella, causando una leggera diminuzione della luminosità della stella. La durata e l’entità di tale diminuzione forniscono indizi sulle dimensioni del pianeta e su altre caratteristiche.
I pianeti transitano quando completano un’orbita attorno alla loro stella, ma a volte transitano qualche minuto prima o in ritardo perché la gravità di altri pianeti nel sistema li attira.
Queste piccole differenze sono note come variazioni dei tempi di transito e sono integrate nei modelli degli astronomi per consentire loro di prevedere con precisione quando transiteranno i pianeti.
I ricercatori hanno affermato di non avere motivo di credere che il modello a tre pianeti del sistema Kepler-51 fosse impreciso e hanno utilizzato con successo il modello per prevedere il tempo di transito di Kepler-51b nel maggio 2023 e hanno proseguito con il telescopio Apache Point Observatory (APO) per osservarlo nei tempi previsti.
“Abbiamo anche provato a utilizzare il telescopio Penn State Davey Lab per osservare un transito di Kepler-51d nel 2022, ma alcune nuvole mal sincronizzate hanno bloccato la nostra vista proprio mentre si prevedeva l’inizio del transito”, ha detto Libby-Roberts. “È possibile che avremmo potuto sapere che qualcosa non andava, ma non avevamo motivo di sospettare che Kepler-51d non sarebbe transitato come previsto quando avevamo pianificato di osservarlo con JWST”.
Il modello a tre pianeti del team prevedeva che Kepler-51d avrebbe transitato intorno alle 2 del mattino EDT nel giugno 2023 e i ricercatori si sono preparati a osservare l’evento sia con JWST che con APO.
“Grazie al cielo abbiamo iniziato a osservare qualche ora prima per stabilire una linea di base, perché sono arrivate le 2 del mattino, poi le 3, e non avevamo ancora osservato un cambiamento nella luminosità della stella con APO”, ha detto Libby-Roberts.
“Dopo aver rieseguito freneticamente i nostri modelli e esaminato i dati, abbiamo scoperto un leggero calo della luminosità stellare immediatamente quando abbiamo iniziato l’osservazione con APO, che ha finito per essere l’inizio del transito, 2 ore prima, che è ben oltre la finestra di incertezza di 15 minuti dei nostri modelli”.
Quando i ricercatori hanno analizzato i nuovi dati APO e JWST, hanno confermato di aver catturato il transito di Kepler-51d, anche se molto prima del previsto.
“Siamo rimasti davvero perplessi dalla prima apparizione di Kepler-51d, e nessuna quantità di messa a punto del modello dei tre pianeti potrebbe spiegare una discrepanza così grande”, ha detto Kento Masuda, professore associato di scienze della terra e dello spazio presso l’Università di Osaka e co-primo autore dell’articolo.
“Solo l’aggiunta di un quarto pianeta spiega questa differenza. Questo segna il primo pianeta scoperto da variazioni di tempo di transito utilizzando JWST”.
Per aiutare a spiegare cosa sta succedendo nel sistema Kepler-51, il team di ricerca ha rivisitato i precedenti dati di transito del telescopio spaziale Kepler della NASA e del Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) della NASA.
Hanno anche effettuato nuove osservazioni dei pianeti interni del sistema, tra cui il telescopio spaziale Hubble e il telescopio Palomar Observatory del California Institute of Technology, e hanno ottenuto dati d’archivio da diversi telescopi terrestri.
Poiché il nuovo pianeta, Kepler-51e, non è ancora stato osservato in transito, forse perché potrebbe non passare nella linea di vista tra la sua stella e la Terra, i ricercatori hanno notato quanto fosse importante ottenere quanti più dati possibili per supportare i loro nuovi modelli.
“Abbiamo condotto quella che viene chiamata una ricerca di ‘forza bruta’, testando molte diverse combinazioni di proprietà dei pianeti per trovare il modello a quattro pianeti che spiega tutti i dati di transito raccolti negli ultimi 14 anni”, ha detto Masuda.
“Abbiamo scoperto che il segnale si spiega meglio se Kepler-51e ha una massa simile a quella degli altri tre pianeti e segue un’orbita abbastanza circolare di circa 264 giorni, qualcosa che ci aspetteremmo in base ad altri sistemi planetari. Altre possibili soluzioni che abbiamo trovato riguardano un pianeta più massiccio su un’orbita più ampia, anche se pensiamo che queste siano meno probabili”.
Tenere conto di un quarto pianeta e regolare i modelli cambia anche le masse attese degli altri pianeti del sistema.
Secondo i ricercatori, questo influisce su altre proprietà dedotte su questi pianeti e informa su come potrebbero essersi formati.
Sebbene i tre pianeti interni siano leggermente più massicci di quanto si pensasse in precedenza, sono ancora classificati come super sbuffi. T
uttavia, non è chiaro se Kepler-51e sia anche un pianeta super morbido, perché i ricercatori non hanno osservato un transito di Kepler-51e e quindi non possono calcolarne il raggio o la densità.
“I pianeti super morbidi sono abbastanza rari e, quando si verificano, tendono ad essere gli unici in un sistema planetario”, ha detto Libby-Roberts.
“Se cercare di spiegare come si sono formati tre super sbuffi in un sistema non era abbastanza impegnativo, ora dobbiamo spiegare un quarto pianeta, che si tratti di un super sbuffo o meno. E non possiamo nemmeno escludere la presenza di altri pianeti nel sistema”.
Poiché i ricercatori ritengono che Kepler-51e abbia un’orbita di 264 giorni, hanno affermato che è necessario ulteriore tempo di osservazione per ottenere un quadro migliore degli impatti della sua gravità, o di quella di altri pianeti, sui tre pianeti interni del sistema.
“Kepler-51e ha un’orbita leggermente più grande di Venere ed è appena all’interno della zona abitabile della stella, quindi molto di più potrebbe accadere oltre quella distanza se ci prendiamo il tempo di guardare”, ha detto Libby-Roberts.
“Continuare a osservare le variazioni dei tempi di transito potrebbe aiutarci a scoprire pianeti che sono più lontani dalle loro stelle e potrebbe aiutare nella nostra ricerca di pianeti che potrebbero potenzialmente sostenere la vita”.
I ricercatori stanno attualmente analizzando il resto dei dati del JWST, che potrebbero fornire informazioni sull’atmosfera di Kepler-51d. Studiare la composizione e altre proprietà dei tre pianeti interni potrebbe anche migliorare la comprensione di come si sono formati gli insoliti pianeti super puff a bassissima densità, hanno detto i ricercatori.
Oltre a Libby-Roberts e Masuda, che hanno guidato il team di Kepler-51d, il team di ricerca internazionale include John Livingston del National Astronomical Observatory of Japan, che ha coordinato la maggior parte dei follow-up a terra; molti osservatori a terra; il team Kepler-51b; e il team Palomar.
