Sjældne jordarters metaller i atmosfæren på en glødende varm exoplanet

KELT-9 b er den varmeste exoplanet, der er kendt til dato. I sommeren 2018 et fælles hold af astronomer fra universiteterne i Bern og Genève fandt signaturer af gasformigt jern og titanium i atmosfæren. Nu har disse forskere også været i stand til at opdage spor af fordampet natrium, magnesium, krom, og de sjældne jordarters metaller scandium og yttrium.

Exoplaneter er planeter uden for vores solsystem, der kredser om andre stjerner end Solen. Siden opdagelsen af ​​de første exoplaneter i midten af ​​90'erne, langt over 3000 exoplaneter er blevet opdaget. Mange af disse planeter er ekstreme sammenlignet med planeterne i vores solsystem:Varme gasgiganter, der kredser utroligt tæt på deres værtsstjerner, nogle gange inden for perioder på mindre end et par dage. Sådanne planeter findes ikke i vores solsystem, og deres eksistens har trodset forudsigelser om, hvordan og hvorfor planeter dannes. I de sidste 20 år, astronomer fra hele verden har arbejdet på at forstå, hvor disse planeter kommer fra, hvad de er lavet af, og hvordan deres klima er.

En ekstremt varm gasgigant

KELT-9 er en stjerne beliggende 650 lysår fra Jorden i stjernebilledet Cygnus. Dens exoplanet KELT-9 b eksemplificerer den mest ekstreme af disse såkaldte hot-Jupiters, fordi den kredser meget tæt omkring sin stjerne, der er næsten dobbelt så varm som Solen. Derfor, dens atmosfære når temperaturer på omkring 4000 °C. I sådan varme, alle grundstoffer er næsten fuldstændigt fordampet, og molekyler er brudt fra hinanden i deres atomer – ligesom det er tilfældet i de ydre lag af stjerner. Det betyder, at atmosfæren ikke indeholder skyer eller aerosoler, og himlen er klar, for det meste gennemsigtig for lys fra sin stjerne.

Atomerne, der udgør atmosfærens gas, absorberer lys i meget specifikke farver i spektret, og hvert atom har et unikt "fingeraftryk" af farver, som det absorberer. Disse fingeraftryk kan måles med en følsom spektrograf monteret på et stort teleskop, giver astronomer mulighed for at skelne den kemiske sammensætning af atmosfærerne på planeter, der er mange lysår væk.

Exoplaneten som et skattekammer

Et team af forskere fra universiteterne i Bern og Genève samarbejdede om at bruge denne teknik, og gjorde en interessant opdagelse:"Ved at bruge HARPS-North-spektrografen på det italienske nationale teleskop på øen La Palma, vi fandt jern- og titaniumatomer i den varme atmosfære af KELT-9 b, " forklarer Kevin Heng, Direktør og professor ved Center for Space and Habitabilty (CSH) ved Universitetet i Bern og medlem af National Center of Competence in Research PlanetS. Holdet observerede KELT-9-systemet for anden gang sidste sommer, med det formål at bekræfte deres tidligere påvisninger, men også for at fortsætte med at søge efter yderligere elementer, der også kunne være til stede i dataene. Deres undersøgelse omfattede 73 atomer, heriblandt nogle såkaldte sjældne jordarters metaller. Disse stoffer er mindre almindelige på Jorden, men anvendes i avancerede materialer og enheder. Jens Hoeijmakers, som er den første forfatter til undersøgelsen, som nu er publiceret i tidsskriftet Astronomi og astrofysik og som er postdoc ved CSH i Bern og ved Geneve Observatory, siger:"Vores hold forudsagde, at spektret af denne planet meget vel kunne være en skattekiste, hvor der kan påvises et væld af arter, som ikke er blevet observeret i atmosfæren på nogen anden planet før."

Efter omhyggelig analyse, forskerne fandt faktisk stærke signaler om fordampet natrium, magnesium, krom og de sjældne jordarters metaller scandium og yttrium i planetens spektrum. De tre sidstnævnte af disse er aldrig blevet opdaget robust i atmosfæren på en exoplanet før. "Teamet avancerede også deres fortolkning af disse data, og var i stand til at bruge disse signaler til at vurdere, i hvilken højde i planetens atmosfære disse atomer absorberer, " siger Jens Hoeijmakers. Hvad mere er, forskerne ved også mere om stærke globale vindmønstre højt oppe i atmosfæren, der blæser materialet fra den ene halvkugle til den anden.

"Med yderligere observationer, mange flere elementer kan meget vel blive opdaget ved at bruge den samme teknik i atmosfæren på denne planet i fremtiden, og måske også på andre planeter, der er opvarmet til tilsvarende høje temperaturer, " forklarer Jens Hoeijmakers. Kevin Heng tilføjer:"Chancerne er gode for, at vi en dag finder såkaldte biosignaturer, altså tegn på liv, på en exoplanet, ved at bruge de samme teknikker, som vi anvender i dag. Ultimativt, vi ønsker at bruge vores forskning til at gennemskue solsystemets oprindelse og udvikling såvel som livets oprindelse."