Az újonnan felfedezett GJ 367b pehelysúlyúnak számít az exobolygók között. Tömege fele a Földének, ezzel a ma ismert közel ötezer Naprendszeren kívüli bolygó közül az egyik legkisebb tömegű. Szintén különlegessége, hogy mindössze 8 óra alatt járja körbe központi csillagát. Átmérője valamivel nagyobb 9000 kilométernél, így méretét tekintve a Mars és a Föld között helyezkedik el. Rendszere alig 31 fényévre van tőlünk, így ideális célpontja a további vizsgálatoknak is. Felfedezése nagyon jól érzékelteti, hogy ma már a legkisebb méretű és tömegű exobolygók megtalálása, valamint paramétereik nagy pontosságú meghatározása sem lehetetlen. Ezek a vizsgálatok pedig alapvető fontosságúak a földszerű bolygók kialakulásának és fejlődésének jobb megértéséhez.
A bolygóval kapcsolatos kutatási eredményeket a Science magazinban közölte egy népes, 78 főt számláló nemzetközi kutatócsoport, amelynek vezetői Kristine W. F. Lam és honfitársunk, Csizmadia Szilárd, mindketten a DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt) bolygókutató részlegének (Institut für Planetenforschung) munkatársai. (Kristine Lam Csizmadia Szilárddal együtt dolgozó posztdoktor kutató.) A földi nap hosszának harmadáig tartó keringési idejével a GJ 367b a „nagyon gyorsan mozgó” exobolygók közé tartozik. „Sugarának és tömegének nagyon pontos meghatározása alapján a GJ 367b nagy biztonsággal kőzetbolygóként osztályozható” – foglalja össze a lényeget Kristine Lam. „Azaz a Földhöz hasonló bolygók számát gyarapítja, újabb lépéssel lendítve előre a »második Föld« utáni kutatást.”
Negyed évszázaddal az első exobolygó felfedezése után a vizsgálatok fókusza ma már ezen bolygók tulajdonságainak minél pontosabb megállapítása felé tolódott el, de persze új felfedezések is vannak szép számmal. Ezzel párhuzamosan lehetővé vált a legtöbb ismert exobolygó sokkal pontosabb „profilírozása” is. Az exobolygók többségét az ún. tranzitmódszerrel fedezték fel: azt a kicsiny csökkenést keresik a csillag látszó fényességében, amelyet a megfigyelőhöz képest éppen a korongja előtt elvonuló bolygója okoz azáltal, hogy kitakarja felszínének egy kis részét. A GJ 367b-t is így fedezték fel, mégpedig a NASA TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) űrtávcsöve által szolgáltatott adatok alapján.
A GJ 367b az ún. „ultrarövid periódusú” (ultra-short period, USP), a csillagukat 24 óránál rövidebb idő alatt megkerülő exobolygók közé tartozik. „Néhányat már ismerünk közülük, de eredetüket egyelőre még homály fedi” – mondja Kristine Lam. „Mivel a GJ 367b mérete sokkal inkább a Marséhoz, mint a Földéhez hasonló, akár »szupermarsnak« is hívhatjuk.” A TESS tranzitadatai alapján történt felfedezés után a központi csillag több színképét is rögzítették az ESO 3,6 méteres távcsövén működő HARPS exobolygó-kereső spektrográffal, az ezekből meghatározott értékekkel pedig felvették a csillag radiálissebesség-görbéjét. Aprólékos elemzéssel és különböző kiértékelési módszerek bevetésével sikerült a bolygó sugarát és tömegét is meghatározni: előbbi a Földének 72%-a, utóbbi pedig bolygónkénak 55%-a.
A 7 és 14%-os pontossággal meghatározott sugár és tömeg alapján a kutatóknak a bolygó szerkezetére vonatkozó következtetéseket is sikerült levonniuk. Ugyan kis tömegű kőzetbolygóról van szó, de sűrűsége nagyobb, mint a Földé. „A nagy sűrűség vasmagra utal” – magyarázza Csizmadia Szilárd. „Ezek a tulajdonságok inkább a Merkúrra emlékeztetnek, amelynek aránytalanul nagy, vasból és nikkelből álló magja van, ez pedig minden más naprendszerbeli égitesttől megkülönbözteti a legbelső bolygót.” A GJ 367b csillagától mért kis távolsága azonban azt is jelenti, hogy felszínén nagyon nagy a besugárzás szintje, 500-szor magasabb, mint amit a Föld érzékel. A felszíni hőmérséklet így elérheti az 1500 °C-t, ezen a hőmérsékleten pedig az összes kőzet és a fémek is megolvadnak. A GJ 367b valójában ezért sem tekinthető „második Földnek”.
Az ábra néhány kis exobolygó sugarát (függőleges tengely) mutatja a tömegük (vízszintes tengely) függvényében, mindkét értéket a Föld megfelelő paraméterével mint egységgel kifejezve. A körök azokat az exobolygókat jelölik, amelyek tömegét a radiálissebesség-módszer, míg a háromszögek azokat, amelyek tömegét a tranzitidő-változás (TTV) alapján határozták meg. A keresztek minden esetben az adatok hibadobozát jelzik. A GJ 367b a legkisebb bolygók egyike, amelynek tömegét a radiálissebesség-módszerrel határozták meg, a lehető legnagyobb pontossággal. Összehasonlításul a Naprendszer négy földtípusú bolygóját – a Merkúrt, a Vénuszt, a Marsot, és természetesen magát a Földet – is mutatja az ábra. A szimbólumok színei a csillag által megvilágított nappali oldal egyensúlyi hőmérsékletét kódolják az ábra jobb oldalán látható skálának megfelelően. A tömeg-sugár összefüggés a bolygó belsejéről is szolgáltat információt. A tájékozódáshoz öt bolygómag-típusnak megfelelő görbét is mutat az ábra: tiszta vasmag (100% Fe), részleges (80% és 50%) vastartalmú mag, tiszta kőzetbolygó (100% MgSiO3), valamint 50% vizet tartalmazó bolygómag. Az újonnan felfedezett GJ 367b magja valószínűleg túlnyomó részben vasat tartalmaz. (German Aerospace Center/Kristine Lam)
Az újonnan felfedezett exobolygó központi csillaga a GJ 367 katalógusjelű vörös törpe, amelynek mérete a Napénak kb. fele. Ez előnyös volt a bolygó detektálása szempontjából, de az utánkövető észlelések esetében is, mivel a keringő bolygó tranzitjele így különösen szignifikáns. (Ez persze viszonylagos, lásd a kutatás vezetőjének háttér-információit.) A vörös törpék nem csak kisebbek a Napnál, de hidegebbek is, ami szintén megkönnyíti a kísérőik felfedezését és azok jellemzőinek megállapítását. Kozmikus szomszédságunkban valójában a vörös törpék a leggyakoribb objektumok, így azok kiváló célpontjai az exobolygó-kereső programoknak. A kutatók becslései szerint az M színképtípusú objektumok körül átlagban 2-3 bolygó kering, amelyek mérete a Földének legfeljebb négyszerese.
Az eredményeket részletező szakcikk a Science magazinban jelent meg (DOI: 10.1126/science.aay3253).
Exkluzív, a hivatalos sajtóanyagban nem szereplő háttér-információk a kutatás vezetőjétől, Csizmadia Szilárdtól:
- A radiálissebesség-görbe amplitúdója 79,8 ± 11,0 cm/s, ami legjobb tudomása szerint exobolygók központi csillagai esetében az eddig mért második legkisebb radiálissebesség-amplitúdó (legalábbis normál csillag körül biztosan).
- A fénygörbe modellezése csak az általa továbbfejlesztett (wavelet-alapú) módszerrel (https://arxiv.org/abs/2108.11822) vált lehetővé, bár magának a bolygónak a jelét korábbi módszerekkel is megtalálták, még a nagy zajban is. Az alábbi ábra felső paneljén az eredeti TESS-fénygörbe látható, amelyen első pillantásra semmilyen tranzit nyoma nem látszik, a csillag fényessége csak a foltosság változása miatt csökken. (Az idő napokban van feltüntetve, 2 450 000 BJD-től számolva. A középen látható 1,5-2 napos adathiány azért van, mert minden keringés során a kb. 27 napos észlelési ciklus közepén ott tölt le adatokat a TESS, és addig nem észlel, mivel nincs mindenre elég számítástechnikai kapacitása.) Az ábra középső paneljén zöld szín jelöli a tranzitmodellt, piros pedig a tranzit- és a wavelet-zajmodell együttesének figyelembe vételével végzett illesztést. A zajmodell levonása, majd az adatpontok keringési fázis szerinti „feltekerése” után kapott fázisgörbét az ábra alsó panelje mutatja, amelyen már határozottan látható egy 0,24 millimagnitúdós (240 mikromagnitúdós) periodikus fénycsökkenés. Csizmadia Szilárd értékelése szerint ilyen kis amplitúdójú periodikus jelnek ilyen nagy zajszintű fénygörbében történő megtalálása és a zajhatások levonása nagy előrelépés. Azt is elképzelhetőnek tartja, hogy a csillagászatból a jelfeldolgozásba tartó egyfajta technológia-transzferként ennek a jövőben valahol még gyakorlati alkalmazása is lehetséges.
(Lam, Csizmadia és mtsai (2021))