Citizen Scientists entdecken riesigen jupiterähnlichen Planeten in TESS-Daten der NASA

Tom Jacobs aus Bellevue, Washington, liebt Schatzsuchen. Seit 2010 beteiligt sich der ehemalige US-Marineoffizier an Online-Freiwilligenprojekten, die allen Interessierten – „Citizen Scientists“ – die Möglichkeit geben, durchzuschauen NASA Teleskopdaten für Anzeichen von Exoplaneten, Planeten jenseits unseres Sonnensystems.

Jetzt hat Jacobs geholfen, einen riesigen Gasplaneten zu entdecken, der etwa 379 Lichtjahre von der Erde entfernt ist und einen Stern mit der gleichen Masse wie die Sonne umkreist. Der Jupiter-Größe Planet ist etwas Besonderes für Astronomen, weil sein Jahr mit 261 Tagen im Vergleich zu vielen bekannten Gasriesen außerhalb unseres Sonnensystems lang ist. Das Ergebnis deutet auch darauf hin, dass der Planet nur ein bisschen weiter von seinem Stern entfernt ist als Venus ist von der Sonne. Der Befund wurde im veröffentlicht Astronomisches Journal und am 13. Januar bei einer virtuellen Presseveranstaltung der American Astronomical Society vorgestellt.

Die Entdeckung dieses Planeten und die Bestimmung seiner Größe und Masse erforderte eine umfassende Zusammenarbeit zwischen professionellen Astronomen und Bürgerwissenschaftlern wie Jacobs. Um den Planeten zu verfolgen, engagierten sie sich „in einer globalen Vereinigungsbemühung, weil wir alle gemeinsam danach streben müssen, um diesen bestimmten Planeten im Auge zu behalten“, sagte Paul Dalba, Astronom an der University of California, Riverside, und Hauptautor des lernen.

„Die Entdeckung und Veröffentlichung von TOI-2180 b war eine großartige Gruppenleistung, die zeigt, dass professionelle Astronomen und erfahrene Bürgerwissenschaftler erfolgreich zusammenarbeiten können“, sagte Jacobs. „Das ist Synergie pur.“

Wie es zur Entdeckung kam

Die Signatur für den neu entdeckten Planeten versteckte sich in Daten des Transiting Exoplanet Survey Satellite der NASA oder TESS. Mithilfe von TESS-Daten suchen Wissenschaftler nach Helligkeitsänderungen naher Sterne, die auf das Vorhandensein umlaufender Planeten hindeuten könnten.

Jacobs ist Teil einer Gruppe von Bürgerwissenschaftlern, die sich auf der Suche nach neuen Planeten Diagramme von TESS-Daten ansehen, die die Veränderung der Helligkeit eines Sterns im Laufe der Zeit zeigen. Während professionelle Astronomen Algorithmen verwenden, um Zehntausende von Datenpunkten von Sternen automatisch zu scannen, verwenden diese Bürgerwissenschaftler ein Programm namens LcTools, das von Alan R. Schmitt entwickelt wurde, um Teleskopdaten mit dem Auge zu untersuchen. Aus diesem Grund nennt sich Jacobs’ Gruppe, der mehrere Bürgerwissenschaftler und zwei erfahrene Astronomen angehören, die Visual Survey Group. Viele von ihnen trafen sich während der Arbeit an Planet Hunters, einem von der NASA finanzierten Citizen-Science-Projekt durch Zooniverse, das sich auf Daten der NASA-Raumsonde Kepler konzentrierte.

Am 1. Februar 2020 bemerkte Jacobs zufällig eine Darstellung, die das Sternenlicht von TOI-2180 um weniger als ein halbes Prozent schwächer zeigte und dann über einen Zeitraum von 24 Stunden zu seinem vorherigen Helligkeitsniveau zurückkehrte, was durch einen umkreisenden Planeten erklärt werden könnte sagte zu „transit“, wenn es aus unserer Sicht vor dem Stern vorbeigeht. Durch die Messung der Lichtmenge, die beim Vorbeiziehen des Planeten schwächer wird, können Wissenschaftler die Größe des Planeten und in Kombination mit anderen Messungen seine Dichte abschätzen. Aber ein Transit kann nur gesehen werden, wenn ein Stern und sein Planet mit Teleskopen auf einer Linie stehen, die nach ihnen suchen.

Ein Diagramm, das das Sternenlicht über die Zeit zeigt, wird als „Lichtkurve“ bezeichnet. Die Visual Survey Group machte zwei professionelle wissenschaftliche Mitarbeiter – Paul Dalba von der University of California, Riverside, und Diana Dragomir, Assistenzprofessorin an der University of New Mexico – darauf aufmerksam, dass diese Lichtkurve möglicherweise interessant sei.

„Mit dieser neuen Entdeckung stoßen wir auch an die Grenzen der Arten von Planeten, die wir aus TESS-Beobachtungen extrahieren können“, sagte Dragomir. „TESS wurde nicht speziell entwickelt, um solche Exoplaneten mit langen Umlaufbahnen zu finden, aber unser Team gräbt diese seltenen Edelsteine ​​dennoch mit der Hilfe von Bürgerwissenschaftlern aus.“

Computeralgorithmen, die von professionellen Astronomen verwendet werden, sind so konzipiert, dass sie nach Planeten suchen, indem sie mehrere Transitereignisse von einem einzigen Stern identifizieren. Aus diesem Grund ist die Sichtprüfung von Citizen Scientists so nützlich, wenn nur ein Durchgang verfügbar ist. Da dies der einzige Fall der Verdunkelung des Sterns TOI-2180 b in diesem Datensatz ist, wird es als „Einzeltransitereignis“ bezeichnet.

„Der manuelle Aufwand, den sie betrieben haben, ist wirklich wichtig und wirklich beeindruckend, denn es ist tatsächlich schwierig, Code zu schreiben, der eine Million Lichtkurven durchlaufen und einzelne Transitereignisse zuverlässig identifizieren kann“, sagte Dalba. „Dies ist ein Bereich, in dem Menschen immer noch Code schlagen.“

Aber wie konnte das Team andere Erklärungen für den kurzen Rückgang des Sternenlichts ausschließen? Konnten sie sicher sein, einen Planeten gefunden zu haben? Sie würden Folgebeobachtungen benötigen.

Glücklicherweise konnte Dalba das Automated Planet Finder Telescope am Lick Observatory in Kalifornien rekrutieren. „Ich benutze dieses Teleskop, um das Wackeln des Sterns zu messen, um dann zu bestimmen, wie massiv dieser Planet ist, wenn es überhaupt ein Planet ist“, sagte er. Das Forschungsteam verwendete auch das Keck-I-Teleskop am WM-Keck-Observatorium auf Hawaii, um einige dieser Messungen durchzuführen, als das Lick-Observatorium von Waldbränden bedroht war.

Mit 27-stündigen Beobachtungen, verteilt auf mehr als 500 Tage, beobachteten Dalba und seine Kollegen den Gravitationszug des Planeten auf dem Stern, was es ihnen ermöglichte, die Masse des Planeten zu berechnen und eine Reihe von Möglichkeiten für seine Umlaufbahn abzuschätzen. Trotzdem wollten sie den Transit des Planeten beobachten, wenn er zurückkehrte, um die Umlaufbahn zu bestätigen. Leider war es schwierig, ein zweites Transitereignis zu finden, da so viel Ungewissheit darüber bestand, wann der Planet wieder das Antlitz seines Sterns überqueren würde.

Dalba machte weiter und organisierte im August 2020 eine Beobachtungskampagne, an der sowohl professionelle Astronomen als auch Bürgerwissenschaftler an 14 Standorten auf drei Kontinenten Teleskope einsetzten. Um die Kampagne zu unterstützen, lagerte Dalba fünf Nächte lang im kalifornischen Joshua Tree National Park und suchte nach dem Transit mit zwei tragbare Amateurteleskope. Die Zusammenarbeit ergab 55 Datensätze über 11 Tage.

Letztendlich hat keines dieser Teleskope den Planeten zuverlässig entdeckt. Das Fehlen einer eindeutigen Erkennung in diesem Zeitraum setzte jedoch eine Grenze dafür, wie lang die Umlaufbahn sein könnte, was auf einen Zeitraum von etwa 261 Tagen hinweist. Auf der Grundlage dieser Schätzung sagen sie voraus, dass TESS den Planeten im Februar 2022 erneut durch seinen Stern ziehen sehen wird.

Über den Planeten

TOI-2180 b ist fast dreimal so massereich wie Jupiter, hat aber den gleichen Durchmesser, ist also dichter als Jupiter. Dies ließ die Wissenschaftler fragen, ob er sich auf andere Weise als Jupiter gebildet hat.

Ein weiterer Hinweis auf die Entstehung des Planeten könnte sein Inneres sein. Durch Computermodelle stellten sie fest, dass der neue Planet möglicherweise bis zu 105 Erdmassen an Elementen enthält, die schwerer als Wasserstoff und Helium sind. „Das ist viel“, sagt Dalba. „Das ist mehr, als wir vermuten, im Inneren des Jupiter.“

Astronomen müssen noch viel über die Vielfalt der Planeten lernen, die es da draußen gibt. Ungefähr 4.800 Exoplaneten wurden bestätigt, aber es wird angenommen, dass es Milliarden von Planeten in unserer Galaxie gibt. Die neuen Erkenntnisse deuten darauf hin, dass unter den Riesenplaneten einige viel mehr schwere Elemente enthalten als andere.

In unserem Sonnensystem umkreist der gigantische Jupiter alle 12 Jahre die Sonne; Pro Saturn, ein „Jahr“ sind 29 Jahre. Wir haben keine Riesenplaneten wie TOI-2180 b zwischen Erde und Sonne. Aber außerhalb des Sonnensystems haben Astronomen Dutzende von Exoplaneten gefunden, die noch größer als Jupiter sind und ihre Sterne viel näher umkreisen, sogar näher als die Umlaufbahn von Merkur.

Mit einer Durchschnittstemperatur von etwa 170 Grad Fahrenheit, TOI-2180 b ist wärmer als die Raumtemperatur auf der Erde und wärmer als die äußeren Planeten unseres Sonnensystems, einschließlich Jupiter und Saturn. Aber verglichen mit der Reihe von vorbeiziehenden riesigen Exoplaneten, die Astronomen gefunden haben, die andere Sterne umkreisen, ist TOI-2180 b ungewöhnlich kühl.

“Es ist ein nettes Sprungbrett zwischen den meisten riesigen Exoplaneten, die wir gefunden haben, und dann dem wirklich kalten Jupiter und Saturn”, sagte Dalba.

Was kommt als nächstes

Wenn TESS den Stern im Februar erneut beobachtet, sind Dalba und die Citizen Scientists bestrebt, die Daten zu erhalten und wieder einzutauchen. Wenn sie die Signatur des Planeten finden, die den 261-Tage-Zeitraum bestätigt, würde das den Daten von ihrem Global mehr Bedeutung verleihen Kampagne, um es im Jahr 2020 zu finden.

Das James-Webb-Weltraumteleskop der NASA, das am 25. Dezember gestartet wurde, könnte möglicherweise diesen Planeten und seine Atmosphäre beobachten. Aber es gibt noch einen weiteren Grund, warum Dalba von den Fähigkeiten von Webb begeistert ist. Angesichts der Tatsache, dass Jupiter in unserem eigenen Sonnensystem Ringe und Monde hat, könnte Webb verwendet werden, um nach kleinen Objekten zu suchen, die TOI-2180 b umkreisen.

Bisher wurden mit Sicherheit keine Ringe oder Monde außerhalb unseres Sonnensystems gefunden, aber ein Grund könnte sein, dass viele Exoplaneten sehr nahe an ihrem Stern gefunden werden, deren Schwerkraft solche Objekte wegreißen könnte. TOI-2180 b, das sich in größerer Entfernung von seinem Heimatstern befindet, könnte eine interessante Gelegenheit für eine solche Suche darstellen. „Ich denke, das ist ein lustiges System für später in der Zukunft“, sagte Dalba.

Wenn er nicht seinem Hobby der Planetenjagd nachgeht, arbeitet Jacobs, der Citizen Scientist, mit gemeinnützigen Organisationen zusammen, die Menschen mit Behinderungen dabei helfen, eine Anstellung in ihren Gemeinden zu finden.

Die Mitglieder der Visual Survey Group „verbringen jeden Tag viele Stunden damit, die Daten aus reiner Freude und Interesse an der Förderung der Wissenschaft zu erheben“, sagte Jacobs. Insgesamt hat das Team mehr als 68 von Fachleuten begutachtete wissenschaftliche Arbeiten mitverfasst, darunter die Entdeckung von vorbeiziehenden „Exokometen“ oder Kometen außerhalb des Sonnensystems, die das Antlitz eines Sterns überqueren.

„Wir lieben es, zur Wissenschaft beizutragen“, sagte Jacobs. „Und ich liebe diese Art der Vermessung, weil ich weiß, dass man sich in einem neuen, unentdeckten Gebiet befindet, das noch nie zuvor von Menschen gesehen wurde.“

Referenz: „Die TESS-Keck-Umfrage. VIII. Bestätigung eines Transitriesenplaneten auf einer exzentrischen Umlaufbahn von 261 Tagen mit dem Automated Planet Finder Telescope“ von Paul A. Dalba, Stephen R. Kane, Diana Dragomir, Steven Villanueva Jr., Karen A. Collins, Thomas Lee Jacobs, Daryll M. LaCourse, Robert Gagliano, Martti H. Kristiansen, Mark Omohundro, Hans M. Schwengeler, Ivan A. Terentev, Andrew Vanderburg, Benjamin Fulton, Howard Isaacson, Judah Van Zandt, Andrew W. Howard, Daniel P. Thorngren, Steve B. Howell , Natalie M. Batalha, Ashley Chontos, Ian JM Crossfield, Courtney D. Dressing, Daniel Huber, Erik A. Petigura, Paul Robertson, Arpita Roy, Lauren M. Weiss, Aida Behmard, Corey Beard, Casey L. Brinkman, Steven Giacalone , Michelle L. Hill, Jack Lubin, Andrew W. Mayo, Teo Mocnik, Joseph M. Akana Murphy, Alex S. Polanski, Malena Rice, Lee J. Rosenthal, Ryan A. Rubenzahl, Nicholas Scarsdale, Emma V. Turtelboom, Dakotah Tyler, Paul Benni, Pat Boyce, Thomas M. Esposito, E. Girardin, Didier Laloum, Pablo Lewin, Christopher R. Mann, Fran ck Marchis, Richard P. Schwarz, Gregor Srdoc, Jana Steuer, Thirupathi Sivarani, Athira Unni, Nora L. Eisner, Tara Fetherolf, Zhexing Li, Xinyu Yao, Joshua Pepper, George R. Ricker, Roland Vanderspek, David W. Latham, S. Seager, Joshua N. Winn, Jon M. Jenkins, Christopher J. Burke, Jason D. Eastman, Michael B. Lund, David R. Rodriguez, Pamela Rowden, Eric B. Ting und Jesus Noel Villaseñor, 13. Januar 2022, Das Astronomische Journal.
DOI: 10.3847/1538-3881/ac415b

Mehr über Citizen Science

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Über TESS

TESS ist eine Astrophysics Explorer-Mission der NASA, die von geleitet und betrieben wird MIT in Cambridge, Massachusetts, und wird vom Goddard Space Flight Center der NASA verwaltet. Weitere Partner sind Northrop Grumman mit Sitz in Falls Church, Virginia; das Ames Research Center der NASA im kalifornischen Silicon Valley; das Zentrum für Astrophysik | Harvard & Smithsonian in Cambridge, Massachusetts; Lincoln Laboratory des MIT; und das Space Telescope Science Institute in Baltimore. Mehr als ein Dutzend Universitäten, Forschungsinstitute und Observatorien weltweit sind an der Mission beteiligt.

Das Astronomy and Astrophysics Postdoctoral Fellowship Program der National Science Foundation unterstützte diese Studie.