Дишане на газ метан в далечен свят

НАСА‘с Космически телескоп Джеймс Уеб В атмосферата е открит метан Екзопланета WASP-80 b, крайъгълен камък в изследването на космоса. Откритието, потвърдено от усъвършенствани методи за анализ на светлината, хвърля светлина върху състава на планетата и позволява да се правят сравнения с планети в нашата слънчева система.

Космическият телескоп Джеймс Уеб на НАСА наблюдава екзопланетата WASP-80 b, докато преминава пред и зад своята звезда-домакин, разкривайки спектри, показващи наличието на атмосфера, съдържаща метан и водни пари. Докато водните пари са открити на повече от дузина планети досега, метанът, молекула, която беше изобилна в атмосферата на планетата, не беше доскоро. Юпитер, Сатурн, УранИ Нептун В рамките на нашата слънчева система те остават неуловими в атмосферите на транзитни екзопланети, когато са изследвани с помощта на космическа спектроскопия.

Тейлър Бел от Института за изследване на околната среда в района на залива (BAERI), базиран в Изследователския център на Еймс на НАСА в Силиконовата долина, Калифорния, и Луис Уилбанкс от Държавния университет на Аризона, ни разказват повече за значението на откриването на метан във външните атмосфери на екзопланети и обсъдете как е улеснило наблюденията Уеб откриване на метан в атмосфери на екзопланети. Идентифициране на тази дългоочаквана молекула. Тези резултати бяха публикувани наскоро в научното списание Nature.

Разбиране на „Топъл Юпитер“ WASP-80 B

„С температура от около 825 K (около 1025 градуса Е), WASP-80 b е това, което учените наричат ​​„топли юпитери“, планети, подобни по размер и маса на Юпитер в нашата слънчева система, но чиято температура попада между тези на горещите юпитери, като 1450 градуса по Целзий. K (2150 °F) HD 209458 b (първата открита екзопланета), а студените Юпитери, като нашите, имат температура от около 125 K (235 °Е). WASP-80 b обикаля около звездата си червено джудже веднъж на всеки три дни и се намира на 163 светлинни години от нас в съзвездието Лешояд. Тъй като планетата е толкова близо до своята звезда и двете са толкова далеч от нас, не можем да видим планетата директно дори с най-модерните телескопи като Webb. Вместо това изследователите изучават комбинираната светлина от звездата и планетата, използвайки транзитния метод (който е бил използван за откриване на повечето известни екзопланети) и метода на затъмнението.

Иновативни технологии за наблюдение

Използвайки транзитния метод, ние наблюдавахме системата, когато планетата се движеше пред своята звезда от наша гледна точка, причинявайки леко затъмняване на звездната светлина, която виждаме. Сякаш някой минава покрай лампата и светлината угасва. През това време звездата осветява тънък пръстен от атмосферата на планетата около границата ден-нощ на планетата и при определени цветове на светлината, където молекулите в атмосферата на планетата абсорбират светлината, атмосферата изглежда по-дебела и блокира повече звездна светлина. Това причинява по-голяма непрозрачност в сравнение с други дължини на вълните, където атмосферата изглежда прозрачна. Този метод помага на учени като нас да разберат компонентите на атмосферата на планетата, като видят какви цветове на светлината са затъмнени.

Междувременно, използвайки метода на затъмнението, ние наблюдавахме системата, докато планетата минаваше зад своята звезда от наша гледна точка, причинявайки още един лек спад в общата светлина, която получихме. Всички обекти излъчват светлина, наречена топлинно излъчване, а интензитетът и цветът на излъчваната светлина зависят от това колко горещ е обектът. Точно преди и след затъмнението горещата дневна страна на планетата е насочена към нас и чрез измерване на спада в светлината по време на затъмнението успяхме да измерим инфрачервената светлина, излъчвана от планетата. За спектрите на затъмнение, абсорбцията от молекули в атмосферата на планетата обикновено се появява като намаляване на светлината, излъчвана от планетата при определени дължини на вълната. Освен това, тъй като планетата е много по-малка и по-хладна от своята звезда-домакин, дълбочината на затъмнението е много по-малка от дълбочината на транзита.

Измерен транзитен спектър (отгоре) и спектър на затъмнение (отдолу) на WASP-80 b от режима на безпроцепна спектроскопия на NIRCam на космическия телескоп Джеймс Уеб на НАСА. И в двата спектъра има ясно доказателство за абсорбция от вода и метан, чиито приноси са обозначени с цветни линии. По време на транзит планетата преминава пред звездата и в транзитния спектър присъствието на частици кара атмосферата на планетата да блокира повече светлина при определени цветове, причинявайки по-дълбоко затъмняване при тези дължини на вълната. По време на затъмнение планетата минава зад звездата и в този спектър на затъмнение частиците абсорбират част от светлината, излъчвана от планетата в определени цветове, което води до по-малък спад на яркостта по време на затъмнение, отколкото по време на транзит. Кредит на изображението: PAYRI/НАСА/Тейлър Бел

Спектрален анализ на данни

Първоначалните ни наблюдения трябваше да бъдат превърнати в нещо, което наричаме спектър; Това е основно измерване, което показва колко светлина се блокира или излъчва от атмосферата на планетата с различни цветове (или дължини на вълната) светлина. Съществуват много различни инструменти за преобразуване на необработени наблюдения в полезни спектри, така че използвахме два различни метода, за да гарантираме, че нашите резултати са устойчиви на различни допускания. След това интерпретирахме този спектър, използвайки два вида модели, за да симулираме как ще изглежда атмосферата на планетата при тези екстремни условия. Първият тип модел е доста гъвкав, експериментира с милиони комбинации от метан, водно изобилие и температура, за да намери комбинацията, която най-добре отговаря на нашите данни. Вторият тип, наречен „самосъгласувани модели“, също изследва милиони комбинации, но използва нашите съществуващи познания по физика и химия, за да определи очакваните нива на метан и вода. И двата вида модели стигат до едно и също заключение: евентуално откриване на метан.

За да потвърдим нашите констатации, използвахме стабилни статистически методи, за да оценим вероятността нашата констатация да е случаен шум. В нашата област ние считаме „златния стандарт“ за така нареченото „5 сигма откриване“, което означава, че шансовете за откриване в резултат на произволен шум са 1 към 1,7 милиона. В същото време открихме метан при 6,1 сигма както в спектъра на преминаване, така и в спектъра на затъмнение, определяйки шансовете за фалшиво откритие при всяко наблюдение на 1 на 942 милиона, надхвърляйки „златния стандарт“ от 5 сигма и повишавайки нашата увереност в и двете. Открития.

Последици за откриване на метан

С това уверено откритие не само открихме неуловима молекула, но вече можем да започнем да изследваме какво ни казва тази химическа структура за раждането, растежа и еволюцията на планетата. Например, чрез измерване на количеството метан и вода на планетата, можем да изведем съотношението на въглеродните атоми към кислородните атоми. Очаква се това съотношение да се промени в зависимост от това къде и кога се формират планетите в тяхната система. По този начин, изследването на съотношението въглерод към кислород може да даде улики за това дали планетата се е образувала близо или далеч от своята звезда, преди постепенно да се придвижи навътре.

Друго нещо, което ни развълнува за това откритие, беше възможността най-накрая да сравним планетите извън нашата слънчева система с планетите в нея. НАСА има история на изпращане на космически кораби до газовите гиганти на нашата слънчева система, за да измери количеството метан и други молекули в тяхната атмосфера. Сега, чрез измерване на същия газ в екзопланета, можем да започнем да правим сравнение „ябълки с ябълки“ и да видим дали прогнозите от Слънчевата система съвпадат с това, което виждаме извън нея.

Бъдещи перспективи с космическия телескоп Джеймс Уеб

И накрая, докато очакваме бъдещи открития с Webb, този резултат ни показва, че сме на прага на още по-вълнуващи открития. Допълнителни наблюдения на MIRI и NIRCam на WASP-80 b с помощта на Webb ще ни позволят да изследваме свойствата на атмосферата при различни дължини на вълната на светлината. Нашите открития ни карат да вярваме, че ще можем да наблюдаваме други богати на въглерод молекули като въглероден оксид и въглероден диоксид, което ни позволява да нарисуваме по-изчерпателна картина на условията, преобладаващи в атмосферата на тази планета.

Освен това, когато открием метан и други газове на екзопланети, ще продължим да разширяваме знанията си за това как химията и физиката работят при условия, различни от тези на Земята и, може би скоро, на други планети, напомнящи това, което имаме тук. вкъщи. Едно нещо е ясно: едно изследователско пътуване с космическия телескоп Джеймс Уеб е пълно с потенциални изненади.

Справка: „Метан в атмосферата на топлата екзопланета WASP-80b“ от Тейлър Дж. Бел, Луис Уилбанкс, Еверет Шлойн, Майкъл Р. Лейн, Джонатан Дж. Фортни, Томас Б. Грийн, Казумаса Оно, Вивиан Парментие, Емили Раушер , Томас Дж. Бийти, Сайник Мукерджи, Линдзи С. Уайзер, Марта Л. Бойър, Марсия Дж. Рики и Джон А. Стансбъри, 22 ноември 2023 г., природа.
doi: 10.1038/s41586-023-06687-0

За авторите:

• Тейлър Бел е постдокторантски изследовател в Института за изследване на околната среда в района на залива (BAERI), работещ в изследователския център на НАСА Еймс в Силиконовата долина, Калифорния.
• Люис Уилбанкс е сътрудник на НАСА Хъбъл в Държавния университет на Аризона в Темпе, Аризона.