Exoplanet trædesten

Astronomer har indsamlet nogle af de bedste data endnu om sammensætningen af ​​en planet kendt som HR 8799c - en ung gigantisk gasplanet, der er omkring 7 gange massen af ​​Jupiter, der kredser om sin stjerne hvert 200. år.

Holdet brugte avanceret instrumentering ved W. M. Keck Observatory på Maunakea, Hawaii for at bekræfte eksistensen af ​​vand i planetens atmosfære, samt mangel på metan.

Mens andre forskere tidligere havde lavet lignende målinger af denne planet, disse nye, mere robuste data viser styrken ved at kombinere højopløsningsspektroskopi med en teknik kendt som adaptiv optik, som korrigerer for sløringseffekten af ​​Jordens atmosfære.

"Denne type teknologi er præcis, hvad vi ønsker at bruge i fremtiden til at lede efter tegn på liv på en jordlignende planet. Vi er der ikke endnu, men vi marcherer fremad, " siger Dimitri Mawet, en lektor i astronomi ved Caltech og en forsker ved JPL, som Caltech administrerer for NASA.

Mawet er medforfatter til et nyt papir om resultaterne offentliggjort i dag i Astronomisk Tidsskrift . Hovedforfatteren er Ji Wang, tidligere postdoc ved Caltech og nu adjunkt ved Ohio State University.

At tage billeder af planeter, der kredser om andre stjerner – exoplaneter – er en formidabel opgave. Lys fra værtsstjernerne overstråler langt planeterne, gør dem svære at se.

Mere end et dusin exoplaneter er blevet direkte afbildet indtil videre, inklusive HR 8799c og tre af dens planetariske ledsagere. Faktisk, HR 8799 er det eneste system med flere planeter, der har fået taget billede. Opdaget ved hjælp af adaptiv optik på Keck II-teleskopet, de direkte billeder af HR8799 er de første nogensinde af et planetsystem, der kredser om en anden stjerne end vores sol.

Når først et billede er opnået, astronomer kan bruge instrumenter, kaldet spektrometre, at bryde planetens lys fra hinanden, som et prisme, der forvandler sollys til en regnbue, derved afsløre fingeraftryk af kemikalier. Indtil nu, denne strategi er blevet brugt til at lære om atmosfæren på adskillige gigantiske exoplaneter.

Det næste trin er kun at gøre det samme for mindre planeter, der er tættere på deres stjerner (jo tættere en planet er på sin stjerne, og jo mindre er dens størrelse, jo sværere er det at se).

Det ultimative mål er at lede efter kemikalier i atmosfæren på jordlignende planeter, der kredser i stjernens "beboelige zone" - inklusive eventuelle biosignaturer, der kan indikere liv, såsom vand, ilt, og metan.

Mawets gruppe håber at kunne gøre netop dette med et instrument på det kommende Thirty Meter Telescope, et gigantisk teleskop, der planlægges til slutningen af ​​2020'erne af flere nationale og internationale partnere, inklusive Caltech.

Men for nu, videnskabsmændene perfektionerer deres teknik ved hjælp af Keck Observatory - og, i processen, lære om gigantiske planeters sammensætning og dynamik.

"Lige nu, med Keck, vi kan allerede lære om disse gigantiske eksotiske planeters fysik og dynamik, som ikke ligner vores egne planeter i solsystemet, " siger Wang.

I den nye undersøgelse, forskerne brugte et instrument på Keck II-teleskopet kaldet NIRSPEC (nær-infrarød kryogen echellespektrograf), a high-resolution spectrometer that works in infrared light.

They coupled the instrument with Keck Observatory's powerful adaptive optics, a method for creating crisper pictures using a guide star in the sky as a means to measure and correct the blurring turbulence of Earth's atmosphere.

This is the first time the technique has been demonstrated on directly imaged planets using what's known as the L-band, a type of infrared light with a wavelength of around 3.5 micrometers, and a region of the spectrum with many detailed chemical fingerprints.

"The L-band has gone largely overlooked before because the sky is brighter at this wavelength, " says Mawet. "If you were an alien with eyes tuned to the L-band, you'd see an extremely bright sky. It's hard to see exoplanets through this veil."

The researchers say that the addition of adaptive optics made the L-band more accessible for the study of the planet HR 8799c. I deres undersøgelse, they made the most precise measurements yet of the atmospheric constituents of the planet, confirming it has water and lacks methane as previously thought.

"We are now more certain about the lack of methane in this planet, " says Wang. "This may be due to mixing in the planet's atmosphere. The methane, which we would expect to be there on the surface, could be diluted if the process of convection is bringing up deeper layers of the planet that don't have methane."

The L-band is also good for making measurements of a planet's carbon-to-oxygen ratio—a tracer of where and how a planet forms. Planets form out of swirling disks of material around stars, specifically from a mix of hydrogen, ilt, and carbon-rich molecules, such as water, carbonmonoxid, and methane.

These molecules freeze out of the planet-forming disks at different distances from the star—at boundaries called snowlines. By measuring a planet's carbon-to-oxygen ratio, astronomers can thus learn about its origins.

Mawet's team is now gearing up to turn on their newest instrument at Keck Observatory, called the Keck Planet Imager and Characterizer (KPIC). It will also use adaptive optics-aided high-resolution spectroscopy but can see planets that are fainter than HR 8799c and closer to their stars.

"KPIC is a springboard to our future Thirty Meter Telescope instrument, " says Mawet. "For now, we are learning a great deal about the myriad ways in which planets in our universe form."