Учените измерват атмосферата на планета в друга слънчева система, на 340 светлинни години от нас

Концепцията на художника за екзопланета „Горещ Юпитер“. Кредит: НАСА, ЕКА и Л. Хустак (STScI)

Международен екип от учени, използващ телескопа Gemini Earth Observatory в Чили, е първият, който измерва директно количеството вода и въглероден оксид в атмосферата на планета в друга слънчева система на около 340 светлинни години.

Екипът се ръководи от доцент Майкъл Лейн от Училището за изследване на Земята и Космоса към Държавния университет в Аризона, а резултатите бяха публикувани днес (27 октомври 2021 г.) в списанието. темпераментна природа.

Има хиляди известни планети извън нашата слънчева система (наречени екзопланети). Учените използват както космически, така и наземни телескопи, за да проучат как се образуват тези екзопланети и как се различават от планетите в нашата слънчева система.

В това проучване Лейн и неговият екип се фокусираха върху планетата „WASP-77Ab“, вид извънслънчева планета наречен „горещ“ Юпитер„Защото са като Юпитер в нашата слънчева система, но с температура над 2000 градуса Ф.

След това те се фокусираха върху измерването на състава на атмосферата му, за да определят кои елементи присъстват в сравнение със звездата, която обикаля.

„Като се имат предвид техните размери и температури, горещите Юпитери са отлични лаборатории за измерване на атмосферни газове и тестване на нашите теории за формирането на планети“, каза Лейн.

Въпреки че все още не можем да изпратим космически кораб до планети извън нашата слънчева система, учените могат да изследват светлината от екзопланети с помощта на телескопи. Телескопите, които използват за наблюдение на тази светлина, могат да бъдат или в космоса, като напр Космически телескоп Хъбъл, или от Земята, като телескопите на Gemini Observatory.

Лейн и неговият екип са участвали активно в измерването на атмосферния състав на екзопланетите с помощта на Хъбъл, но получаването на тези измервания е било трудно. Не само че има ожесточена конкуренция за времето на телескопа, инструментите на Хъбъл измерват само вода (или кислород) и екипът трябва да събира и измервания на въглероден оксид (или въглерод).

Това е мястото, където екипът се обърна към телескопа Gemini South.

„Трябваше да опитаме нещо различно, за да отговорим на въпросите си“, каза Лейн. „И нашият анализ на възможностите на South Gemini показа, че можем да получим много точни измервания на атмосферата.“

Gemini South е 8,1-метров телескоп, разположен на планина в чилийските Анди, наречена Cerro Pachón, където много сух въздух и незначителната облачност го правят идеално място за телескопа. Той се управлява от NOIRLab на Националната научна фондация (Национална изследователска лаборатория за оптична и инфрачервена астрономия).

Използвайки телескопа Gemini South с инструмент, наречен инфрачервен спектрометър с потапяща решетка (IGRINS), екипът наблюдава термичното сияние на екзопланетата, докато обикаля около звездата си домакин. От това устройство те събраха информация за наличието и относителните количества на различни газове в атмосферата.

Подобно на метеорологичните и климатичните спътници, които се използват за измерване на количеството водна пара и въглероден диоксид в земната атмосфера, учените могат да използват спектрометри и телескопи, като IGRINS на Близнаци Юг, за да измерват количествата на различни газове на други планети.

„Да се ​​опитваш да разбереш състава на атмосферите на планетите е като да се опитваш да разкриеш престъпление с пръстов отпечатък“, каза Лейн. „Размазан пръстов отпечатък не го стеснява твърде много, но много чист и спретнат пръстов отпечатък осигурява уникален идентификатор за този, който е извършил престъплението.“

Когато космическият телескоп Хъбъл предостави на екипа един или два мистериозни пръстови отпечатъка, IGRINS в Gemini South предостави на екипа пълен набор от кристално чисти пръстови отпечатъци.

Използвайки изрични измервания както на водата, така и на въглеродния оксид в атмосферата на WASP-77Ab, екипът успя да оцени относителните количества кислород и въглерод в атмосферата на екзопланетата.

Чрез измерване на доплеровото изместване, показано в дясната колона на тази фигура, учените могат да реконструират орбиталната скорост на планетата във времето към или далеч от Земята. Силата на сигнала на планетата, както е показано в средната колона, по прожектираната видима скорост (пунктирана морска крива) на планетата, докато обикаля около звездата, съдържа информация за количествата на различни газове в атмосферата. Кредит: P. Smith/M. Lines. Selkirk / ASU

„Тези суми бяха в съответствие с нашите очаквания и са приблизително същите като тези на звездата-домакин“, каза Лейн.

Получаването на изобилие от ултрафини газове в атмосферите на екзопланетите е не само важен технически подвиг, особено с наземния телескоп, но също така може да помогне на учените да търсят живот на други планети.

„Тази работа представлява демонстрация как в крайна сметка биосигнатурните газове като кислород и метан могат да бъдат измерени в потенциално обитаеми светове в не много далечно бъдеще“, каза Лейн.

Това, което Лийн и неговият екип очакват по-нататък, е да повторят този анализ за няколко планети и да създадат „извадка“ от атмосферни измервания на поне 15 други планети.

„Сега сме в точката, в която можем да получим фракции от изобилие от газ, подобни на тези на планетите в нашата слънчева система. Измерването на изобилието от въглерод и кислород (и други елементи) в атмосферата на по-голяма извадка от екзопланети осигурява много необходимото контекст за разбиране на произхода и еволюцията на нашите газови гиганти като Юпитер и Сатурн— каза Лийн.

Те също така очакват с нетърпение какво могат да предложат бъдещите телескопи.

„Ако можем да направим това с днешната технология, помислете какво ще можем да правим с нововъзникващи телескопи като Гигантския Магеланов телескоп“, каза Лейн. „Реална е възможността до края на това десетилетие да можем да използваме същия метод за изследване на потенциални сигнали за живот, които също съдържат въглерод и кислород, на скалисти, подобни на Земята планети извън нашата слънчева система.

Справка: „Слънчев C/O и квази-слънчева металичност в горещата атмосфера на Юпитер“ от Майкъл Р. Лайн, Матео Бруги, Джейкъб Л. Пен, Сидхарт Ганди, Джоузеф Залески, Вивиан Парментие, Питър Смит, Грегъри Н. Меган Мансфийлд, Елиза М. Кимтън, Джонатан Дж. Фортни, Евгения Школник, Дженифър Пашън, Емили Раушър, Жан-Мишел Дезерт и Just B Wardner, 27 октомври 2021 г., темпераментна природа.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03912-6

В допълнение към Line, изследователският екип включва Джоузеф Залески, Евгения Школник, Дженифър Патчънс и Питър Смит от Училището за изследване на Земята и космоса към Щатския университет в Аризона; Матю Брюги и Сидхарт Ганди от Университет на Уоруик (Великобритания); Джейкъб Бийн и Меган Мансфийлд от Чикагския университет; Vivien Parmentier и Joost Wardenier от Оксфордски университет (Великобритания); Грегъри Мейс от Тексаския университет в Остин. Елиза Кемптън от Университета на Мериленд; Джонатан Фортни от Калифорнийския университет в Санта Круз; Емили Раушър от Мичиганския университет; и Жан-Мишел Дезерт от Амстердамския университет.