Гігантська пухнаста планета, що обертається навколо холодної червоної карликової зірки

Телескоп Кітт-Пік Національної обсерваторії допомагає визначити це[{” attribute=””>Jupiter-like Planet is the lowest-density gas giant ever detected around a red dwarf.

A gas giant exoplanet with the density of a marshmallow has been detected in orbit around a cool red dwarf star. A suite of astronomical instruments was used to make the observations, including the NASA-funded NEID radial-velocity instrument on the WIYN 3.5-meter Telescope at Kitt Peak National Observatory, a Program of NSF’s NOIRLab. Named TOI-3757 b, the exoplanet is the fluffiest gas giant planet ever discovered around this type of star.

Using the WIYN 3.5-meter Telescope at Kitt Peak National Observatory in Arizona, astronomers have observed an unusual Jupiter-like planet in orbit around a cool red dwarf star. Located in the constellation of Auriga the Charioteer around 580 light-years from Earth, this planet, identified as TOI-3757 b, is the lowest-density planet ever detected around a red dwarf star and is estimated to have an average density akin to that of a marshmallow.

Red dwarf stars are the smallest and dimmest members of so-called main-sequence stars — stars that convert hydrogen into helium in their cores at a steady rate. Although they are “cool” compared to stars like our Sun, red dwarf stars can be extremely active and erupt with powerful flares. This can strip orbiting planets of their atmospheres, making this star system a seemingly inhospitable location to form such a gossamer planet.

Шубам Канодія, дослідник Лабораторії Землі та Планет Інституту Карнегі та перший автор статті, опублікованої в Астрологічний журналдо. Досі це можна було побачити лише за допомогою невеликих вибірок доплерівських досліджень, які зазвичай виявляли гігантські планети далеко від цих червоних карликів. Дотепер у нас не було достатньо великої вибірки планет, щоб надійно знаходити найближчі газові планети».

Навколо TOI-3757 b досі існують нез’ясовані таємниці, головна з яких – як газова гігантська планета може утворитися навколо червоної карликової зірки, особливо планети низької щільності. Однак команда Kanodia вважає, що вони можуть розгадати цю таємницю.

Із Землі з Національної обсерваторії Кіт Пік (KPNO), програми NSF NOIRLab, 3,5-метровий телескоп Wisconsin-Indiana-Yale-Noirlab (WIYN), здається, спостерігає за Чумацьким Шляхом, коли він виходить з-за горизонту. Червонуваті атмосферні відблиски, природне явище, також забарвлюють горизонт. KPNO розташована в пустелі Соноран в Арізоні в нації Тохоно О’одхем, і цей чіткий вид частини площини Чумацького Шляху показує сприятливі умови в цьому середовищі, необхідні для спостереження за слабкими небесними тілами. Ці умови, серед яких низький рівень світлового забруднення, темніше небо на 20 градусів і сухі погодні умови, дозволили дослідникам консорціуму WIYN продовжувати спостереження за галактиками, туманностями та екзопланетами, а також за багатьма іншими астрономічними цілями за допомогою WIYN 3.5. метровий телескоп і його сестра, 0,9-метровий телескоп WIYN. Авторство: KPNO/NOIRLab/NSF/AURA/Р. Спаркс

Вони припускають, що надзвичайно низька щільність TOI-3757 b може бути результатом двох факторів. Перший стосується кам’янистого ядра планети; Вважається, що газові гіганти починаються як масивні скелясті ядра з масою приблизно в десять разів більшою за масу Землі, після чого вони швидко втягують велику кількість газу поблизу, утворюючи газові гіганти, яких ми бачимо сьогодні. TOI-3757b має менший вміст важких елементів, ніж інші М-карлики з газовими гігантами, і це могло призвести до повільнішого формування кам’янистого ядра, затримуючи початок накопичення газу та, таким чином, впливаючи на загальну щільність планети.

Другим фактором може бути орбіта планети, яка попередньо вважається дещо еліптичною. Бувають моменти, коли вона наближається до своєї зірки ближче, ніж в інший час, що призводить до значного надлишкового нагрівання, яке може спричинити збільшення атмосфери планети.

Транзитний супутник NASA для дослідження екзопланет ([{” attribute=””>TESS) initially spotted the planet. Kanodia’s team then made follow-up observations using ground-based instruments, including NEID and NESSI (NN-EXPLORE Exoplanet Stellar Speckle Imager), both housed at the WIYN 3.5-meter Telescope; the Habitable-zone Planet Finder (HPF) on the Hobby-Eberly Telescope; and the Red Buttes Observatory (RBO) in Wyoming.

TESS surveyed the crossing of this planet TOI-3757 b in front of its star, which allowed astronomers to calculate the planet’s diameter to be about 150,000 kilometers (100,000 miles) or about just slightly larger than that of Jupiter. The planet finishes one complete orbit around its host star in just 3.5 days, 25 times less than the closest planet in our Solar System — Mercury — which takes about 88 days to do so.

The astronomers then used NEID and HPF to measure the star’s apparent motion along the line of sight, also known as its radial velocity. These measurements provided the planet’s mass, which was calculated to be about one-quarter that of Jupiter, or about 85 times the mass of the Earth. Knowing the size and the mass allowed Kanodia’s team to calculate TOI-3757 b’s average density as being 0.27 grams per cubic centimeter (about 17 grams per cubic feet), which would make it less than half the density of Saturn (the lowest-density planet in the Solar System), about one quarter the density of water (meaning it would float if placed in a giant bathtub filled with water), or in fact, similar in density to a marshmallow.

“Potential future observations of the atmosphere of this planet using NASA’s new James Webb Space Telescope could help shed light on its puffy nature,” says Jessica Libby-Roberts, a postdoctoral researcher at Pennsylvania State University and the second author on this paper.

“Finding more such systems with giant planets — which were once theorized to be extremely rare around red dwarfs — is part of our goal to understand how planets form,” says Kanodia.

The discovery highlights the importance of NEID in its ability to confirm some of the candidate exoplanets currently being discovered by NASA’s TESS mission, providing important targets for the new James Webb Space Telescope (JWST) to follow up on and begin characterizing their atmospheres. This will in turn inform astronomers what the planets are made of and how they formed and, for potentially habitable rocky worlds, whether they might be able to support life.

Reference: “TOI-3757 b: A low-density gas giant orbiting a solar-metallicity M dwarf” by Shubham Kanodia, Jessica Libby-Roberts, Caleb I. Cañas, Joe P. Ninan, Suvrath Mahadevan, Gudmundur Stefansson, Andrea S. J. Lin, Sinclaire Jones, Andrew Monson, Brock A. Parker, Henry A. Kobulnicky, Tera N. Swaby, Luke Powers, Corey Beard, Chad F. Bender, Cullen H. Blake, William D. Cochran, Jiayin Dong, Scott A. Diddams, Connor Fredrick, Arvind F. Gupta, Samuel Halverson, Fred Hearty, Sarah E. Logsdon, Andrew J. Metcalf, Michael W. McElwain, Caroline Morley, Jayadev Rajagopal, Lawrence W. Ramsey, Paul Robertson, Arpita Roy, Christian Schwab, Ryan C. Terrien, John Wisniewski and Jason T. Wright, 5 August 2022, The Astronomical Journal.
DOI: 10.3847/1538-3881/ac7c20