Egy nagy bolygó egy kis csillag körül, ami ráadásul még kettős is

Különleges bolygórendszert fedezett fel a TESS műhold adataiban egy német, olasz, amerikai, magyar, svájci, holland és ausztrál csillagászokból álló kutatócsoport.

A rendszer különlegessége, hogy egy, a mi Jupiterünkkel megegyező méretű bolygó kering egy kicsi, a Napnál kétszer kisebb vörös törpecsillag körül (azaz M-törpe körül, amiket vörös törpecsillagoknak is hívnak). Eddig mindössze kb. 30 ilyen rendszert találtak csak a több, mint 5000 ismert exobolygó körül, amelyben ilyen pici csillag körül ilyen nagy bolygó kering. Az általános szabály az, hogy kisebb csillag körül kisebb bolygót találunk, de ez a mintegy két és fél tucatnyi exobolygó kivétel – az amúgy gyengén érvényes – szabály alól.

Ha ez még nem lenne elég: a csillagnak van egy kísérőcsillaga is, egy még nála is kisebb csillag, aminek az átmérője a Napénak csak 21%-a. A Föld-Nap átlagos távolságot nevezzük egy csillagászati egységnek (1 CSE). 1 CSE kb. a Nap átmérőjének 214,8-szorosa. Míg a bolygó a főcsillagtól csak 0,02 CSE-re kering (azaz 50-szer közelebb van a csillagához, mint a Föld a Naphoz), addig a kísérőcsillag 3100 CSE-re van tőle, ami még a Nap-Plútó távolságnak is a 78-szorosa. Míg a bolygó a főcsillagát 1,79 nap alatt kerüli meg, addig a két csillag mintegy 212 000 év alatt járja körbe egymást.

A nagyobb tömegű csillagok között sokkal több a kettőscsillag: míg a 16 naptömegnél nagyobb csillagok 80%-ának van kísérőcsillaga, addig a 0,5 naptömeg alattiaknak csak 26%-ának. Minél kisebb tömegű tehát egy csillag, annál kisebb a valószínűsége, hogy kettőscsillagban helyezkedik el. A TOI-6383 tehát a ritkább kettőscsillagok kategóriájába tartozik.

Emiatt két különlegessége is van a rendszernek: egy ritkább, kistömegű kettőscsillag-rendszer tagja, és nagy bolygója van a kis csillagnak. A kb. 30 hasonló M-törpe – Jupiter-szerű bolygópáros közül csak 10-ről ismert, hogy kettőscsillag-rendszer tagja (beleértve ezt a most felfedezettet is).

A rendszert az amerikai bolygókereső, fotometriai (fényességmérést végző) TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite, azaz Tranzitáló Exobolygóket Kereső Műhold) űrtávcső nyilvános adatbázisában fedezték fel. Jelölése TOI-6383. (TOI: TESS Objects of Interest, azaz TESS Érdekes (vagy: Figyelemreméltó) Objektumok). A nagyobb tömegű és méretű, forróbb, fényesebb csillagot TOI-6383A-nak, a kisebbet TOI-6383B-nek nevezték el. A bolygó az A jelű, fényesebb és nagyobb csillag körül kering, jelölése TOI-683Ab.

A bolygó és a csillag nagy méretarányának köszönhetően a bolygótranzitok (a bolygónak a csillag előtt történő átvonulása) a földfelszínről is észlelhető nagyobb műszerrel. A fedéseket a TESS 2019-ben és 2022-ben is észlelte. A periódus és a bolygójellemzők pontosítása érdekében 2023 augusztus-novemberében számos tranzitot észleltek egy wyomingi 60 cm-es távcsővel. 2023 augusztusától októberéig a 10 méteres kategóriájú Hobby-Eberly Távcsővel, ami a texasi McDonald Obszervatóriumban van, számos színképet és radiális sebességgörbe-pontot vettek fel a tömeg meghatározásához. Több nagyfelbontású és ‘lucky imaging’ észlelést is végeztek, további kísérőcsillagok keresése érdekében, de a fenti, B csillagon kívül mást nem találtak.

Ezek alapján a tőlünk 177 parszekre (577 fényévre) lévő rendszerben a főcsillag 0,46±0,02 napsugarú és 0,46±0,01 naptömegű, felületi hőmérséklete 3444 ± 88K. A kísérőcsillag 0,22±0,02 napsugarú és 0,21±0,01 naptömegű, felületi hőmérséklete 3132 ± 81K. A két csillag színképtípusa M3V, illetve M5V.

A bolygó tömege 1,040 ± 0,094 jupitertömeg, sugara 1,008 ± 0,036 jupitersugár. Hőmérsékletét a felületén 745 ± 23 K-re becsülik. Az 1,791 napos keringésidejű bolygó pályája nem kör, hanem kb. 0,05-ös excentricitása van, de a pontos excentricitás még nem ismert.

A bolygó felfedezése kérdéseket vet fel a keletkezését illetően. Két fő bolygókeletkezési hipotézis van: az egyik szerint egy bolygókezdemény (planetezimál) gyűjt gázt maga köré, és így hízik meg a bolygó jupiterméretűre (core accretion, azaz magakkréciós modell, vagy mag-anyagbefogási modell). A probléma ezzel az, hogy M-törpék körül kicsi volt a protoplanetáris korong, és alig volt benne anyag ahhoz, hogy egy Jupiter méretű bolygó keletkezzen. Szokásos módon csak a gáz 10%-a alakul át bolygókká, ebben a konkrét esetben azonban a tanulmány szerzői bemutatják, hogy a gáznak szokatlanul nagy részének, akár 30-40%-ának is át kellett volna alakulnia a bolygóvá. Vagy az eredeti protoplanetáris korong volt szokatlanul nagy egy M-törpéhez képest…

A másik hipotézis szerint egy nagyobb protoplanetáris korong omolhatott össze a saját súlya alatt (gravitational collapse, azaz gravitációs összeomlás modell), és a keletkezett csomósodások egyikéből lett a csillag, a másikból a bolygó. A gravitációs összeomláshoz viszont olyan nagy mennyiségű por kellett, amennyit korábban nem észleltek egyetlen másik M-törpe körüli protoplanetáris korongban sem.

A tanulmány készítői ezáltal arra jutottak, hogy a fenti két bolygókeletkezési mechanizmus csak szokatlan körülmények együttállásakor tudja megmagyarázni ennek az újonnan felfedezett bolygónak a létét. A két mechanizmus között dönteni (vagy esetleg mindkettőt kizárni) csak akkor lehetne, ha nem egyszerűen további hasonló bolygókat fedezünk fel, és a nagyobb minta ad esetleg valami ötletet, hogy merre kell keresni a megoldást, hanem nagyon nagy szükség lenne e bolygók központi csillaga fémtartalmának megmérésére. Ez ugyanis az eredeti portartalomra, gáztartalomra adhat útmutatást, ami még a protoplanetáris korongban állt fenn. Azonban a legnehezebb csillagászati mérések közé tartozik az M-törpék fémtartalmának mérése a számos széles színképvonalbeli sáv miatt (a sávok sokkal szélesebbek, mint a keskeny és éles színképvonalak, és egymásra rakódnak, ami miatt nehéz az egyes kémiai elemek nyomait elkülöníteni egymástól ezekben az esetekben).

Ha ezek egyik se sem működik, még az is lehet, egy sűrű nyílthalmazban keletkezhetett a kettőscsillag, és talán a halmaz egy másik csillagától “lopta a bolygót” az M-törpe? Ez sem elképzelhetetlen, és mivel mára a nyílthalmaz már feloszlott, válasz nincs.

Az új bolygó felfedezését és a bolygó keletkezésének problémáit bemutató cikk itt olvasható el ingyenesen: https://arxiv.org/pdf/2409.16889. A közleményt az Amerikai Csillagászati Társaság The Astronomical Journal című lapja fogadta el közlésre.

A cikk egyik társszerzője, Csizmadia Szilárd csillagász Németországban dolgozik (DLR), és a VCSE-nek is tagja a távolból.  Az első szerző, Lia Marta Bernabó pedig a doktorandusza a berlini Német Lég- és Űrkutatási Központ (DLR) Bolygókutató Intézetében. A nemzetközi együttműködést és a cikk megjelenését részben az Európai Unió EXOWORLD programja finanszírozta.

Függelék: kettőscsillagok gyakorisága:

• a 0,1 naptömegnél kisebb tömegű csillagok (és barna törpék) 22%-ának van kísérője;
• a 0,1-0,5 naptömegű csillagok 26%-ának van kísérője
• a 0,7-1,3 naptömegű csillagok 44%-ának van kísérője
• az 1,5-5 naptömegű csillagok több, mint 50%-ának van kísérője
• a 8-16 naptömegű csillagok több, mint 60%-ának van kísérője
• a 16 naptömegnél nagyobb tömegű csillagok több, mint 80%-ának van kísérője.

A kettősségre vonatkozó információk forrása: https://arxiv.org/abs/1303.3028

Related posts:

TOI-500: egy különleges múltú négyes exobolygó-rendszer – Fröhlich Viktória Nyolc óra egy év: ultrakönnyű és szupergyors – VCSE 12 újabban felfedezett holddal a Jupiternek van ismét a legtöbb ismert kísérője a Naprendszerben – Csizmadia Szilárd Érdekes csillagászati vonatkozású helyek: Látogatás a németországi Hermann Oberth Múzeumban – Csizmadia Szilárd Csillagászat napja Zalaegerszegen – Bánfalvi Péter