Wetenschappers meten de atmosfeer van een planeet in een ander zonnestelsel, op 340 lichtjaar afstand

Een internationaal team van wetenschappers, dat de Gemini Earth Observatory-telescoop in Chili gebruikt, is de eerste die rechtstreeks de hoeveelheid water en koolmonoxide in de atmosfeer van een planeet in een ander zonnestelsel op ongeveer 340 lichtjaar afstand meet.

Het team wordt geleid door universitair hoofddocent Michael Lane van de School of Earth and Space Exploration van de Arizona State University en de resultaten zijn vandaag (27 oktober 2021) in het tijdschrift gepubliceerd. de natuur temperen.

Er zijn duizenden bekende planeten buiten ons zonnestelsel (genaamd exoplaneten). Wetenschappers gebruiken zowel ruimtetelescopen als telescopen op de grond om te onderzoeken hoe deze exoplaneten ontstaan ​​en hoe ze verschillen van de planeten in ons zonnestelsel.

In deze studie concentreerden Laine en zijn team zich op de planeet “WASP-77Ab”, een soort van extrasolaire planeet heet “heet” Jupiter“Omdat ze net als Jupiter in ons zonnestelsel zijn, maar met een temperatuur van meer dan 2000 graden F.

Vervolgens richtten ze zich op het meten van de samenstelling van de atmosfeer om te bepalen welke elementen aanwezig waren, vergeleken met de ster waar het om draait.

“Gezien hun afmetingen en temperaturen zijn hete Jupiters uitstekende laboratoria voor het meten van atmosferische gassen en het testen van onze theorieën over planeetvorming,” zei Lane.

Hoewel we nog geen ruimtevaartuigen naar planeten buiten ons zonnestelsel kunnen sturen, kunnen wetenschappers licht van exoplaneten bestuderen met behulp van telescopen. De telescopen die ze gebruiken om dit licht te observeren, kunnen zich in de ruimte bevinden, zoals: Hubble Ruimtetelescoop, of van de aarde, zoals de Gemini Observatory-telescopen.

Lane en zijn team zijn uitgebreid betrokken geweest bij het meten van de atmosferische samenstelling van exoplaneten met behulp van Hubble, maar het verkrijgen van deze metingen was moeilijk. Er is niet alleen een felle concurrentie voor telescooptijd, de Hubble-instrumenten meten alleen water (of zuurstof) en het team moet ook koolmonoxide (of koolstof) metingen verzamelen.

Hier wendde het team zich tot de Gemini South Telescope.

“We moesten iets anders proberen om onze vragen te beantwoorden,” zei Lane. “En onze analyse van de mogelijkheden van South Gemini gaf aan dat we zeer nauwkeurige metingen van de atmosfeer konden verkrijgen.”

Gemini South is een telescoop met een diameter van 8,1 meter, gelegen op een berg in de Chileense Andes genaamd Cerro Pachón, waar zeer droge lucht en verwaarloosbare bewolking het tot een uitstekende locatie voor de telescoop maken. Het wordt beheerd door NOIRLab van de National Science Foundation (National Optical and Infrared Astronomy Research Laboratory).

Met behulp van de Gemini South Telescope, met een instrument genaamd de Immersion Grating Infrared Spectrometer (IGRINS), observeerde het team de thermische gloed van de exoplaneet terwijl deze om zijn moederster cirkelde. Met dit apparaat verzamelden ze informatie over de aanwezigheid en relatieve hoeveelheden van verschillende gassen in de atmosfeer.

Net als weer- en klimaatsatellieten die worden gebruikt om de hoeveelheid waterdamp en koolstofdioxide in de atmosfeer van de aarde te meten, kunnen wetenschappers spectrometers en telescopen, zoals IGRINS op Gemini South, gebruiken om de hoeveelheden verschillende gassen op andere planeten te meten.

“Proberen de samenstelling van de atmosferen van planeten te achterhalen, is als proberen een misdaad op te lossen met een vingerafdruk,” zei Lane. “Een vlekkerige vingerafdruk beperkt het niet te veel, maar een zeer schone en nette vingerafdruk biedt een unieke identificatie voor degene die de misdaad heeft gepleegd.”

Waar de Hubble-ruimtetelescoop het team een ​​of twee mysterieuze vingerafdrukken voorzag, voorzag IGRINS in Gemini South het team van een volledige set kristalheldere vingerafdrukken.

Met behulp van expliciete metingen van zowel water als koolmonoxide in de atmosfeer van WASP-77Ab, was het team vervolgens in staat om de relatieve hoeveelheden zuurstof en koolstof in de atmosfeer van de exoplaneet te schatten.

Door de Doppler-verschuiving in de rechterkolom van deze figuur te meten, kunnen wetenschappers de baansnelheid van de planeet in de tijd naar of weg van de aarde reconstrueren. De signaalsterkte van de planeet, zoals weergegeven in de middelste kolom, langs de geprojecteerde schijnbare snelheid (gestippelde zeekromme) van de planeet terwijl deze om de ster draait, bevat informatie over de hoeveelheden verschillende gassen in de atmosfeer. Credit: P. Smith/M. Lines. Selkirk / ASU

“Deze bedragen waren in lijn met onze verwachtingen en zijn ongeveer hetzelfde als die van de gastster”, aldus Lane.

Het verkrijgen van een overvloed aan ultrafijne gassen in de atmosferen van exoplaneten is niet alleen een belangrijke technische prestatie, vooral met een telescoop op de grond, maar kan wetenschappers ook helpen bij het zoeken naar leven op andere planeten.

“Dit werk vertegenwoordigt een demonstratie van hoe uiteindelijk biosignatuurgassen zoals zuurstof en methaan in potentieel bewoonbare werelden in de niet al te verre toekomst kunnen worden gemeten,” zei Lane.

Wat Line en het team vervolgens verwachten te doen, is deze analyse voor verschillende planeten te herhalen en een “voorbeeld” van atmosferische metingen op ten minste 15 andere planeten te creëren.

“We zijn nu op het punt waar we gasabundantiefracties kunnen krijgen die vergelijkbaar zijn met die van de planeten in ons zonnestelsel. Het meten van de abundanties van koolstof en zuurstof (en andere elementen) in de atmosfeer van een grotere steekproef van exoplaneten levert de broodnodige context voor het begrijpen van de oorsprong en evolutie van onze gasreuzen zoals Jupiter en Saturnuszei Lijn.

Ze kijken ook uit naar wat toekomstige telescopen kunnen bieden.

“Als we dit kunnen doen met de technologie van vandaag, bedenk dan wat we kunnen doen met opkomende telescopen zoals de Giant Magellan Telescope,” zei Lane. “Het is een reële mogelijkheid dat we tegen het einde van dit decennium dezelfde methode kunnen gebruiken om potentiële signalen van leven te onderzoeken, dat ook koolstof en zuurstof bevat, op rotsachtige, aardachtige planeten buiten ons zonnestelsel.”

Referentie: “Solar C/O and Quasi-solar Metallicity in Jupiter’s Hot Atmosphere” door Michael R. Line, Matteo Brugi, Jacob L. Penn, Siddharth Gandhi, Joseph Zaleski, Vivian Parmentier, Peter Smith, Gregory N. Megan Mansfield, Eliza M. Kimton, Jonathan J. Fortney, Evgenia Shkolnik, Jennifer Passion, Emily Rausher, Jean-Michel Desert en Just B Wardner, 27 oktober 2021, de natuur temperen.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03912-6

Naast Line bestaat het onderzoeksteam uit Joseph Zaleski, Evgenia Shkolnik, Jennifer Patchens en Peter Smith van de School of Earth and Space Exploration van de Arizona State University; Matthew Bruggi en Siddharth Gandhi uit Universiteit van Warwick (Verenigd Koninkrijk); Jacob Bean en Megan Mansfield uit Universiteit van Chicago; Vivien Parmentier en Joost Wardenier uit Oxford universiteit (Verenigd Koninkrijk); Gregory Mays van de Universiteit van Texas in Austin. Eliza Kempton van de Universiteit van Maryland; Jonathan Fortney van de Universiteit van Californië, Santa Cruz; Emily Rausher van de Universiteit van Michigan; en Jean-Michel Desert van de Universiteit van Amsterdam.