Hubble registrerer en exoplanet med glødende vandatmosfære

Forskere har fundet det hidtil stærkeste bevis for en stratosfære på en enorm planet uden for vores solsystem, med en atmosfære, der er varm nok til at koge jern.

Et internationalt team af forskere, ledet af University of Exeter, gjort den nye opdagelse ved at observere glødende vandmolekyler i atmosfæren på exoplaneten WASP-121b med NASAs Hubble-rumteleskop.

For at studere gasgigantens stratosfære - et lag af atmosfæren, hvor temperaturen stiger med højere højder - brugte videnskabsmænd spektroskopi til at analysere, hvordan planetens lysstyrke ændrede sig ved forskellige bølgelængder af lys.

Vanddamp i planetens atmosfære, for eksempel, opfører sig på forudsigelige måder som reaktion på forskellige bølgelængder af lys, afhængig af vandets temperatur. Ved køligere temperaturer, vanddamp i planetens øvre atmosfære blokerer lys af bestemte bølgelængder, der udstråler fra dybere lag mod rummet. Men ved højere temperaturer, vandmolekylerne i den øvre atmosfære lyser i stedet for disse bølgelængder.

Fænomenet ligner det, der sker med fyrværkeri, som får deres farver fra kemikalier, der udsender lys. Når metalliske stoffer opvarmes og fordampes, deres elektroner bevæger sig ind i tilstande med højere energi. Afhængigt af materialet, disse elektroner vil udsende lys ved bestemte bølgelængder, når de mister energi:natrium producerer orange-gul og strontium producerer rød i denne proces, for eksempel.

Vandmolekylerne i atmosfæren af ​​WASP-121b afgiver på samme måde stråling, når de mister energi, men det er i form af infrarødt lys, som det menneskelige øje ikke er i stand til at opdage.

Forskningen er publiceret i førende videnskabeligt tidsskrift Natur .

"Teoretiske modeller har antydet, at stratosfærer kan definere en særlig klasse af ultravarme exoplaneter, med vigtige implikationer for den atmosfæriske fysik og kemi, " sagde Dr Tom Evans, hovedforfatter og forskningsstipendiat ved University of Exeter. "Da vi pegede Hubble på WASP-121b, vi så glødende vandmolekyler, antyder, at planeten har en stærk stratosfære."

WASP-121b, ligger cirka 900 lysår fra Jorden, er en gasgigantisk exoplanet, der almindeligvis omtales som en 'varm Jupiter', selvom med en større masse og radius end Jupiter, gør den meget hæver. Exoplaneten kredser om sin værtsstjerne hver 1,3 dag, og er omkring den nærmeste afstand, det kunne være, før stjernens tyngdekraft ville begynde at rive den fra hinanden.

Denne nærhed betyder også, at toppen af ​​atmosfæren opvarmes til en brændende varm 2, 500 grader Celsius - den temperatur, hvor jern findes i gas i stedet for fast form.

I Jordens stratosfære, ozon fanger ultraviolet stråling fra solen, hvilket hæver temperaturen i dette lag af atmosfæren. Andre solsystemlegemer har stratosfærer, også - metan er ansvarlig for opvarmning i stratosfærerne på Jupiter og Saturns måne Titan, for eksempel. I solsystemets planeter, ændringen i temperatur i en stratosfære er typisk mindre end 100 grader Celsius. Imidlertid, på WASP-121b, temperaturen i stratosfæren stiger med 1000 Celsius.

"Vi har målt en kraftig stigning i temperaturen i WASP-121bs atmosfære i højere højder, men vi ved endnu ikke, hvad der forårsager denne dramatiske opvarmning, "siger Nikolay Nikolov, medforfatter og forskningsstipendiat ved University of Exeter. "Vi håber at løse dette mysterium med kommende observationer ved andre bølgelængder."

Vanadiumoxid- og titaniumoxidgasser er kandidatvarmekilder, da de stærkt absorberer stjernelys ved synlige bølgelængder, svarende til ozonabsorberende UV-stråling. Disse forbindelser forventes kun at være til stede i de varmeste af varme Jupiters, såsom WASP-121b, da der kræves høje temperaturer for at holde dem i gasform.

Ja, vanadiumoxid og titaniumoxid ses almindeligvis hos brune dværge, 'mislykkede stjerner', der har nogle fællestræk med exoplaneter.

Tidligere forskning, der strækker sig over det sidste årti, har indikeret mulige beviser for stratosfærer på andre exoplaneter, men det er første gang, at glødende vandmolekyler er blevet påvist, det hidtil klareste signal for en exoplanet stratosfære.

Det er et af de første resultater, der kommer ud af et nyt observationsprogram, der udføres af et internationalt team af forskere, ledet af lektor David Sing ved University of Exeter og Dr. Mercedes Lopez-Mórales ved Smithsonian Institution. Programmet er blevet tildelt 800 timer til at studere og sammenligne 20 forskellige exoplaneter, repræsenterer en af ​​de største tidsallokeringer til et enkelt program i hele Hubbles 27-årige historie.

"Denne nye forskning er det rygende våbenbevis, forskerne har søgt efter, når de studerede varme exoplaneter. Vi har opdaget, at denne varme Jupiter har en stratosfære, et fælles træk, der ses i de fleste af vores solsystemplaneter." siger professor David Sing, medforfatter og lektor i astrofysik ved University of Exeter.

"Det er et virkelig spændende fund, da vi ser dramatiske forskelle fra planet til planet, hvilket giver værdifulde ledetråde til at finde ud af, hvordan planeter opfører sig under forskellige forhold, og vi er kun lige ved at ridse overfladen af ​​alle de nye Hubble-data."

NASAs kommende James Webb-rumteleskop vil være i stand til at følge op på atmosfæren på planeter som WASP-121b med højere følsomhed end noget teleskop, der i øjeblikket er i rummet.

"Denne supervarme exoplanet vil være et benchmark for vores atmosfæriske modeller, og vil være et fantastisk observationsmål på vej ind i Webb-æraen, " sagde Hannah Wakeford, medforfatter og forskningsstipendiat ved University of Exeter.