En varm og tør Jupiter:SPIRou afslører atmosfæren på exoplaneten Tau Boötis f

Ved at bruge SPIRou-spektropolarimeteret på Canada-France-Hawaii-teleskopet på Hawaii, et hold ledet af Stefan Pelletier, en ph.d.-studerende ved Université de Montréal's Institute for Research on Exoplanets (iREx), studerede atmosfæren på gasgiganten exoplanet Tau Boötis b, en brændende varm verden, der tager kun tre dage at kredse om sin værtsstjerne.

Deres detaljerede analyse, præsenteret i et papir offentliggjort i dag i Astronomisk Tidsskrift , viser, at atmosfæren på den gasformige planet indeholder kulilte, som forventet, men overraskende ingen vand, et molekyle, der mentes at være udbredt og skulle have været let påviseligt med SPIRou.

Tau Boötis b er en planet, der er 6,24 gange mere massiv end Jupiter og otte gange tættere på sin moderstjerne, end Merkur er på Solen. Beliggende kun 51 lysår fra Jorden og 40 procent mere massiv end Solen, dens stjerne, Tau Boötis, er en af ​​de mest lysstærke kendte planetbærende stjerner, og er synlig med det blotte øje i stjernebilledet Boötes.

Tau Boötis b var en af ​​de første exoplaneter nogensinde opdaget, i 1996, takket være den radiale hastighedsmetode, som registrerer en stjernes lille frem-og-tilbage-bevægelse genereret af dens planets gravitationsslæb. Dens atmosfære var blevet undersøgt en håndfuld gange før, men aldrig med et instrument så kraftfuldt som SPIRou til at afsløre dets molekylære indhold.

Søger efter vand

Hvis vi antager, at Tau Boötis b er dannet i en protoplanetarisk skive med en sammensætning svarende til vores solsystem, modeller viser, at vanddamp bør være til stede i store mængder i dens atmosfære. Det burde således have været let at opdage med et instrument som SPIRou.

"Vi forventede en kraftig påvisning af vand, med måske lidt kulilte, " forklarede Pelletier. "Vi var, imidlertid, overrasket over at finde det modsatte:kulilte, men intet vand."

Holdet arbejdede hårdt for at sikre, at resultaterne ikke kunne tilskrives problemer med instrumentet eller analysen af ​​dataene.

"Når vi havde overbevist os selv om, at vandindholdet faktisk var meget lavere end forventet på Tau Boötis b, vi var i stand til at begynde at søge efter dannelsesmekanismer, der kunne forklare dette, sagde Pelletier.

Studerer varme Jupiters for bedre at forstå Jupiter og Saturn

"Hot Jupiters som Tau Boötis b tilbyder en hidtil uset mulighed for at undersøge gigantiske planetdannelser", sagde medforfatter Björn Benneke, en astrofysikprofessor og Pelletiers ph.d.-vejleder ved UdeM. "Planets sammensætning giver fingerpeg om, hvor og hvordan denne gigantiske planet blev dannet."

Nøglen til at afsløre dannelsesplaceringen og mekanismen for gigantiske planeter er indprentet i deres molekylære atmosfæriske sammensætning. Den ekstreme temperatur på varme Jupiters gør det muligt for de fleste molekyler i deres atmosfære at være i gasform, og derfor detekterbar med nuværende instrumenter. Astronomer kan således præcist måle indholdet af deres atmosfærer.

"I vores solsystem, Jupiter og Saturn er virkelig kolde, " sagde Benneke. "Nogle molekyler såsom vand er frosset og gemt dybt i deres atmosfærer; dermed, vi har et meget dårligt kendskab til deres overflod. At studere varme Jupiters giver en måde til bedre at forstå vores egne gigantiske planeter. Den lave mængde vand på Tau Boötis b kan betyde, at vores egen Jupiter også er tørrere, end vi tidligere havde troet."

SPIRou:Et unikt instrument

Tau Boötis b er en af ​​de første planeter, der blev studeret med det nye SPIRou-instrument, siden det for nylig blev taget i brug ved Canada-France-Hawaii Telescope. Dette instrument er udviklet af forskere fra flere videnskabelige institutioner, herunder UdeM.

"Dette spektropolarimeter kan analysere planetens termiske lys - lyset udsendt af planeten selv - i et hidtil uset stort udvalg af farver, og med en opløsning, der muliggør identifikation af mange molekyler på én gang:vand, carbonmonoxid, metan, osv." sagde medforfatter og iREx-forsker Neil Cook, en ekspert i SPIRou-instrumentet.

Holdet brugte 20 timer på at observere exoplaneten med SPIRou mellem april 2019 og juni 2020.

"Vi målte mængden af ​​alle større molekyler, der indeholder enten kulstof eller oxygen, " sagde Pelletier. "Da de er de to mest udbredte grundstoffer i universet, efter brint og helium, det giver os et meget komplet billede af atmosfærens indhold."

Som de fleste planeter, Tau Boötis b passerer ikke foran sin stjerne, når den kredser om den, fra Jordens synspunkt. Imidlertid, studiet af exoplanetatmosfærer har for det meste været begrænset til "transiterende" planeter - dem, der forårsager periodiske dyk i lyset fra deres stjerne, når de skjuler en del af deres lys.

"Det er første gang, vi får så præcise målinger af den atmosfæriske sammensætning af en ikke-transiterende exoplanet, " sagde ph.d.-studerende Caroline Piaulet, medforfatter til undersøgelsen.

"Dette arbejde åbner døren til at studere i detaljer atmosfæren af ​​et stort antal exoplaneter, selv dem, der ikke passerer deres stjerne."

En sammensætning, der ligner Jupiter

Gennem deres analyse, Pelletier og hans kolleger var i stand til at konkludere, at Tau Boötis b's atmosfæriske sammensætning har omtrent fem gange så meget kulstof som det, der findes i Solen, mængder svarende til den målt for Jupiter.

Dette kan tyde på, at varme Jupitere kan dannes meget længere fra deres værtsstjerne, på afstande, der ligner de gigantiske planeter i vores solsystem, og har simpelthen oplevet en anden udvikling, hvilket omfattede en migration mod stjernen.

"Ifølge hvad vi fandt for Tau Boötis b, det ser ud til, at i hvert fald sammensætningsmæssigt, varme Jupiters er måske ikke så forskellige fra vores eget solsystems gigantiske planeter trods alt, " konkluderede Pelletier.