一個國際合作小組，包括來自美國宇航局噴氣推進實驗室和新墨西哥大學的科學家發現了一顆新的類似海王星大小的系外行星，其軌道周期為24天，圍繞着附近的一顆M型矮星運行。最近的發現提供了令人興奮的研究機會，這要歸功於該行星的大量大氣層、小恆星以及該系統遠離地球的速度。
這項研究的題目是TOI-1231 b：一顆溫帶的、海王星大小的行星繞着附近的M3矮星NLTT 24399運行，將發表在未來的一期《天文雜誌》上。這顆名叫TOI-1231 b是的系外行星利用凌日系外行星探測衛星（TESS）的測光數據探測到並通過智利拉斯坎帕納斯天文台的麥哲倫克萊望遠鏡上的行星探測光譜儀（PFS）進行跟蹤觀測。PFS是一個複雜的儀器，通過它們對其宿主恆星的引力影響來探測系外行星。當行星繞着它們的宿主運行時，測量到的恆星速度會周期性地變化，揭示出行星的存在以及關於它們的質量和軌道的信息。
美國宇航局的TESS所採用的觀測策略，將每個半球分為13個區，大約進行28天的調查，正在產生最全面的凌日行星全天空搜索。這種方法已經證明了它有能力探測到從類日星到低質量的M型矮星周圍的大型和小型行星。M型矮星，也被稱為紅矮星，是銀河系中最常見的恆星類型，約佔銀河系所有恆星的70%。
M型矮星較小，只擁有我們太陽質量的一小部分，光度較低。因為M型矮星比較小，當一個特定大小的行星經過這顆恆星時，被行星擋住的光量比較大，使得行星過境更容易被發現。想象一下，一顆類似於地球的行星在一顆太陽大小的恆星面前經過，它將會擋住一小部分光；但是如果它在一顆小得多的恆星面前經過，被擋住的光的比例將會更大。從某種意義上說，這在恆星的表面形成了一個更大的陰影，使M型矮星周圍的行星更容易被探測到，也更容易研究。
雖然它能夠在整個天空中探測到系外行星，但TESS的調查策略也會產生基於軌道周期的重大觀測偏差。系外行星必須在TESS的觀測範圍內至少穿越其宿主恆星兩次，才能被科學處理操作中心（SPOC）管道和快速觀測管道（QLP）探測到正確的周期，這兩個管道分別搜索TESS的2分鐘和30分鐘節奏的數據。由於TESS總天空覆蓋率的74%只觀測了28天，所以TESS探測到的大多數系外行星的周期都小於14天。因此，TOI-1231b的24天周期使得它的發現更有價值。
美國宇航局JPL的科學家Jennifer Burt（伯特）是這篇論文的主要作者，她的合作者包括UNM物理和天文學系的助理教授Diana Dragomir（德拉戈米爾），他們測量了該行星的半徑和質量。伯特說：”與分佈在全球各地的一群優秀的天文學家合作，我們能夠收集必要的數據來描述主星的特徵，並測量該行星的半徑和質量。這些數值反過來使我們能夠計算出該行星的體積密度，並假設該行星是由什麼構成的。TOI-1231 b的大小和密度與海王星相當相似，所以我們認為它有一個類似的大型氣態大氣。”圍繞M型矮星宿主運行的系外行星的另一個優勢是，我們可以更容易地測量它們的質量，因為行星質量與恆星質量的比率也較大。當恆星較小，質量較小時，已有的探測方法可以更好地工作，因為行星相對於恆星來說更容易突出。就像投在恆星上的陰影。恆星越小，恆星的質量越小，就越能檢測到行星的影響。即使TOI 1231b離它的恆星比地球離太陽的距離近八倍，它的溫度也與地球相似，這要歸功於它的主星更冷更不亮，然而，這顆行星本身實際上比地球大，比海王星小一點–我們可以稱它為亞海王星。”
伯特和德拉戈米爾在麻省理工學院卡夫利研究所擔任研究員時就開始了這項研究，他們與專門觀察和描述小行星大氣層的科學家合作，以弄清哪些當前和未來的天基任務可能能夠窺視TOI-1231 b的外層，以告知研究人員到底有哪些氣體在圍繞着這顆行星旋轉。TOI-1231b的溫度約為330開爾文或140華氏度，是迄今為止發現的最冷的、可用於大氣研究的小型系外行星之一。
過去的研究表明，如此冰冷的行星可能在其大氣層的高處有雲層，這使得很難確定它們周圍有什麼類型的氣體。但是對另一顆名為K2-18 b的小型冰冷行星的新觀察打破了這一趨勢，並顯示出其大氣層中存在水的證據，令許多天文學家感到驚訝。伯特說：”TOI-1231 b是我們所知道的類似大小和溫度範圍的唯一其他行星之一，因此未來對這顆新行星的觀測將讓我們確定在這些溫帶世界周圍形成水雲是多麼常見（或罕見）。”
此外，由於其宿主恆星具有較高的近紅外（NIR）亮度，它將成為哈勃太空望遠鏡（HST）和詹姆斯-韋伯太空望遠鏡（JWST）未來任務的一個令人興奮的目標。由該論文的共同作者之一領導的第一組這些觀測，應該在本月晚些時候使用哈勃太空望遠鏡進行。
“TOI 1231b的低密度表明它被大量的大氣層所包圍，而不是一個岩質行星。但是這個大氣層的組成和範圍是未知的，”德拉戈米爾說。”TOI1231b可能有一個大的氫氣或氫氦大氣層，或者一個更密集的水蒸氣大氣層。每一種都指向不同的起源，使天文學家能夠了解與我們太陽周圍的行星相比，M型矮星周圍的行星是否以及如何形成不同的行星，例如。我們即將進行的HST觀測將開始回答這些問題，而JWST有望對該行星的大氣層進行更徹底的觀察。”
研究該行星大氣層的另一種方法是調查氣體是否被吹走，通過尋找該行星周圍氫和氦等原子的證據，因為它穿過其主星的表面。一般來說，氫原子幾乎不可能被發現，因為它們的存在被星際氣體所掩蓋。但是這個行星-恆星系統提供了一個獨特的機會來應用這種方法，因為它遠離地球的速度非常快。
伯特說：”過去20年系外行星科學最令人感興趣的結果之一是，到目前為止，我們發現的新行星系統沒有一個看起來像我們的太陽系。他們充滿了地球和海王星大小之間的行星，其軌道比水星的短得多，所以我們沒有任何本地的例子可以與之比較。我們發現的這顆新行星仍然很奇怪–但它離有點像我們附近的行星又進了一步。與迄今為止探測到的大多數凌日行星相比，它們的溫度通常在數百或數千度之間，而TOI-1231 b是非常寒冷的。這顆行星加入了其他兩三顆附近的小型系外行星的行列，在未來的幾年裡，我們將利用各種望遠鏡對其進行仔細檢查，所以請密切關注TOI1231b的新進展！”