Οι επιστήμονες μετρούν την ατμόσφαιρα ενός πλανήτη σε ένα άλλο ηλιακό σύστημα, 340 έτη φωτός μακριά

Μια διεθνής ομάδα επιστημόνων, χρησιμοποιώντας το τηλεσκόπιο Gemini Earth Observatory στη Χιλή, είναι η πρώτη που μέτρησε άμεσα την ποσότητα τόσο του νερού όσο και του μονοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα ενός πλανήτη σε ένα άλλο ηλιακό σύστημα που απέχει περίπου 340 έτη φωτός.

Η ομάδα διευθύνεται από τον αναπληρωτή καθηγητή Michael Lane της Σχολής Γης και Εξερεύνησης του Διαστήματος του Πολιτειακού Πανεπιστημίου της Αριζόνα και τα αποτελέσματα δημοσιεύθηκαν σήμερα (27 Οκτωβρίου 2021) στο περιοδικό. ιδιοσυγκρασία φύση.

Υπάρχουν χιλιάδες γνωστοί πλανήτες έξω από το ηλιακό μας σύστημα (που ονομάζονται εξωπλανήτες). Οι επιστήμονες χρησιμοποιούν τόσο διαστημικά όσο και επίγεια τηλεσκόπια για να εξετάσουν πώς σχηματίζονται αυτοί οι εξωπλανήτες και πώς διαφέρουν από τους πλανήτες του ηλιακού μας συστήματος.

Σε αυτή τη μελέτη, ο Λέιν και η ομάδα του εστίασαν στον πλανήτη “WASP-77Ab”, έναν τύπο εξωηλιακός πλανήτης που ονομάζεται “καυτό” Ζεύς«Επειδή είναι σαν τον Δία στο ηλιακό μας σύστημα, αλλά με θερμοκρασία πάνω από 2000 βαθμούς φά.

Στη συνέχεια επικεντρώθηκαν στη μέτρηση της σύστασης της ατμόσφαιράς του για να προσδιορίσουν ποια στοιχεία υπήρχαν, σε σύγκριση με το αστέρι που περιφέρεται.

«Δεδομένων των μεγεθών και των θερμοκρασιών τους, οι θερμοί Δίας είναι εξαιρετικά εργαστήρια για τη μέτρηση των ατμοσφαιρικών αερίων και τη δοκιμή των θεωριών μας σχετικά με το σχηματισμό πλανητών», είπε ο Lane.

Ενώ δεν μπορούμε ακόμη να στείλουμε διαστημόπλοια σε πλανήτες εκτός του ηλιακού μας συστήματος, οι επιστήμονες μπορούν να μελετήσουν το φως από εξωπλανήτες χρησιμοποιώντας τηλεσκόπια. Τα τηλεσκόπια που χρησιμοποιούν για να παρατηρήσουν αυτό το φως μπορεί να είναι είτε στο διάστημα, όπως π.χ Διαστημικό Τηλεσκόπιο Hubble, ή από τη Γη, όπως τα τηλεσκόπια του Αστεροσκοπείου Gemini.

Ο Λέιν και η ομάδα του έχουν συμμετάσχει εκτενώς στη μέτρηση της ατμοσφαιρικής σύνθεσης των εξωπλανητών χρησιμοποιώντας το Hubble, αλλά η λήψη αυτών των μετρήσεων ήταν δύσκολη. Όχι μόνο υπάρχει σκληρός ανταγωνισμός για τον χρόνο τηλεσκοπίου, τα όργανα Hubble μετρούν μόνο νερό (ή οξυγόνο) και η ομάδα χρειάζεται επίσης να συλλέξει μετρήσεις μονοξειδίου του άνθρακα (ή άνθρακα).

Εδώ η ομάδα στράφηκε στο Gemini South Telescope.

«Χρειαζόμασταν να δοκιμάσουμε κάτι διαφορετικό για να απαντήσουμε στις ερωτήσεις μας», είπε ο Lane. «Και η ανάλυσή μας για τις δυνατότητες των Νοτίων Διδύμων έδειξε ότι μπορούσαμε να λάβουμε πολύ ακριβείς μετρήσεις της ατμόσφαιρας».

Το Gemini South είναι ένα τηλεσκόπιο 8,1 μέτρων που βρίσκεται σε ένα βουνό στις Χιλιανές Άνδεις που ονομάζεται Cerro Pachón, όπου ο πολύ ξηρός αέρας και η αμελητέα νεφοκάλυψη το καθιστούν μια προνομιακή τοποθεσία για το τηλεσκόπιο. Λειτουργεί από το NOIRLab (Εθνικό Εργαστήριο Οπτικής και Υπέρυθρης Αστρονομίας) του Εθνικού Ιδρύματος Επιστημών.

Χρησιμοποιώντας το Gemini South Telescope, με ένα όργανο που ονομάζεται Immersion Grating Infrared Spectrometer (IGRINS), η ομάδα παρατήρησε τη θερμική λάμψη του εξωπλανήτη καθώς περιφερόταν γύρω από το άστρο υποδοχής του. Από αυτή τη συσκευή συνέλεξαν πληροφορίες για την παρουσία και τις σχετικές ποσότητες διαφόρων αερίων στην ατμόσφαιρα.

Όπως οι δορυφόροι καιρού και κλίματος που χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση της ποσότητας υδρατμών και διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα της Γης, οι επιστήμονες μπορούν να χρησιμοποιήσουν φασματόμετρα και τηλεσκόπια, όπως το IGRINS στο Gemini South, για να μετρήσουν τις ποσότητες των διαφόρων αερίων σε άλλους πλανήτες.

«Το να προσπαθείς να καταλάβεις τη σύνθεση της ατμόσφαιρας των πλανητών είναι σαν να προσπαθείς να λύσεις ένα έγκλημα με δακτυλικό αποτύπωμα», είπε ο Λέιν. “Ένα μουτζουρωμένο δακτυλικό αποτύπωμα δεν το περιορίζει πολύ, αλλά ένα πολύ καθαρό και προσεγμένο δακτυλικό αποτύπωμα παρέχει ένα μοναδικό αναγνωριστικό για όποιον διέπραξε το έγκλημα.”

Εκεί που το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble παρείχε στην ομάδα ένα ή δύο μυστηριώδη δακτυλικά αποτυπώματα, το IGRINS στο Gemini South παρείχε στην ομάδα ένα πλήρες σύνολο κρυστάλλινων δακτυλικών αποτυπωμάτων.

Χρησιμοποιώντας σαφείς μετρήσεις τόσο του νερού όσο και του μονοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα του WASP-77Ab, η ομάδα μπόρεσε στη συνέχεια να υπολογίσει τις σχετικές ποσότητες οξυγόνου και άνθρακα στην ατμόσφαιρα του εξωπλανήτη.

Μετρώντας τη μετατόπιση Doppler που φαίνεται στη δεξιά στήλη αυτού του σχήματος, οι επιστήμονες μπορούν να ανακατασκευάσουν την τροχιακή ταχύτητα του πλανήτη στο χρόνο προς ή μακριά από τη Γη. Η ισχύς του σήματος του πλανήτη, όπως φαίνεται στη μεσαία στήλη, κατά μήκος της προβαλλόμενης φαινομενικής ταχύτητας (διακεκομμένη θαλάσσια καμπύλη) του πλανήτη καθώς περιφέρεται γύρω από το αστέρι, περιέχει πληροφορίες για τις ποσότητες των διαφόρων αερίων στην ατμόσφαιρα. Πίστωση: P. Smith/M. Lines. Selkirk / ASU

«Αυτά τα ποσά ήταν σύμφωνα με τις προσδοκίες μας και είναι περίπου τα ίδια με αυτά του πρωταγωνιστή», είπε ο Λέιν.

Η λήψη αφθονίας εξαιρετικά λεπτών αερίων στις ατμόσφαιρες των εξωπλανητών δεν είναι μόνο ένα σημαντικό τεχνικό επίτευγμα, ειδικά με το επίγειο τηλεσκόπιο, αλλά μπορεί επίσης να βοηθήσει τους επιστήμονες να αναζητήσουν ζωή σε άλλους πλανήτες.

“Αυτή η εργασία αντιπροσωπεύει μια επίδειξη του τρόπου με τον οποίο τελικά τα αέρια βιουπογραφής όπως το οξυγόνο και το μεθάνιο μπορούν να μετρηθούν σε δυνητικά κατοικήσιμους κόσμους στο όχι και πολύ μακρινό μέλλον”, είπε ο Lane.

Αυτό που ο Line και η ομάδα του περιμένουν στη συνέχεια είναι να επαναλάβουν αυτήν την ανάλυση για αρκετούς πλανήτες και να δημιουργήσουν ένα «δείγμα» ατμοσφαιρικών μετρήσεων σε τουλάχιστον 15 άλλους πλανήτες.

“Βρισκόμαστε τώρα στο σημείο όπου μπορούμε να πάρουμε κλάσματα αφθονίας αερίων παρόμοια με εκείνα των πλανητών στο ηλιακό μας σύστημα. Η μέτρηση της αφθονίας άνθρακα και οξυγόνου (και άλλων στοιχείων) στην ατμόσφαιρα ενός μεγαλύτερου δείγματος εξωπλανητών παρέχει τα απαραίτητα πλαίσιο για την κατανόηση της προέλευσης και της εξέλιξης των γιγάντων αερίων μας όπως ο Δίας και Κρόνοςείπε η Line.

Ανυπομονούν επίσης για το τι μπορούν να προσφέρουν τα μελλοντικά τηλεσκόπια.

«Αν μπορούμε να το κάνουμε αυτό με τη σημερινή τεχνολογία, σκεφτείτε τι θα μπορέσουμε να κάνουμε με τα αναδυόμενα τηλεσκόπια όπως το γιγάντιο τηλεσκόπιο του Μαγγελάνου», είπε ο Λέιν. “Είναι μια πραγματική πιθανότητα ότι μέχρι το τέλος αυτής της δεκαετίας μπορεί να είμαστε σε θέση να χρησιμοποιήσουμε την ίδια μέθοδο για να εξερευνήσουμε πιθανά σήματα ζωής, τα οποία περιέχουν επίσης άνθρακα και οξυγόνο, σε βραχώδεις πλανήτες που μοιάζουν με τη Γη έξω από το ηλιακό μας σύστημα.”

Αναφορά: «Solar C/O and Quasi-solar Metallicity in Jupiter’s Hot Atmosphere» των Michael R. Line, Matteo Brugi, Jacob L. Penn, Siddharth Gandhi, Joseph Zaleski, Vivian Parmentier, Peter Smith, Gregory N. Μέγκαν Μάνσφιλντ, Ελίζα Μ. Kimton, Jonathan J. Fortney, Evgenia Shkolnik, Jennifer Passion, Emily Rausher, Jean-Michel Desert και Just B Wardner, 27 Οκτωβρίου 2021, ιδιοσυγκρασία φύση.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03912-6

Εκτός από τη Line, η ερευνητική ομάδα περιλαμβάνει τους Joseph Zaleski, Evgenia Shkolnik, Jennifer Patchens και Peter Smith από τη Σχολή Γης και Διαστημικής Εξερεύνησης του Κρατικού Πανεπιστημίου της Αριζόνα. Matthew Bruggi και Siddharth Gandhi από Πανεπιστήμιο του Warwick (Ηνωμένο Βασίλειο); Jacob Bean και Megan Mansfield από Πανεπιστήμιο του Σικάγο; Vivien Parmentier και Joost Wardenier από Το πανεπιστήμιο της Οξφόρδης (Ηνωμένο Βασίλειο); Gregory Mays του Πανεπιστημίου του Τέξας στο Ώστιν. Ελίζα Κέμπτον του Πανεπιστημίου του Μέριλαντ· Jonathan Fortney του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια, Santa Cruz. Emily Rausher του Πανεπιστημίου του Μίσιγκαν· και Jean-Michel Desert του Πανεπιστημίου του Άμστερνταμ.