Atmosfære af mellemstor planet afsløret af Hubble og Spitzer

To NASA-rumteleskoper er gået sammen for at identificere, for første gang, det detaljerede kemiske "fingeraftryk" af en planet mellem Jordens og Neptuns størrelse. Ingen planeter som denne kan findes i vores eget solsystem, men de er almindelige omkring andre stjerner.

Planeten, Gliese 3470 b (også kendt som GJ 3470 b), kan være en krydsning mellem Jorden og Neptun, med en stor stenet kerne begravet under en dybt knusende brint- og heliumatmosfære. Med en vægt på 12,6 jordmasser, planeten er mere massiv end Jorden, men mindre massiv end Neptun (som er mere end 17 jordmasser).

Mange lignende verdener er blevet opdaget af NASAs Kepler rumobservatorium, hvis mission sluttede i 2018. Faktisk, 80 % af planeterne i vores galakse kan falde inden for dette masseområde. Imidlertid, astronomer har aldrig været i stand til at forstå den kemiske natur af sådan en planet før nu, siger forskere.

Ved at inventere indholdet af GJ 3470 b's atmosfære, astronomer er i stand til at afdække spor om planetens natur og oprindelse.

"Dette er en stor opdagelse fra planetdannelsesperspektivet. Planeten kredser meget tæt på stjernen og er langt mindre massiv end Jupiter - 318 gange Jordens masse - men har formået at opbygge den oprindelige brint/helium-atmosfære, der stort set er "uforurenet" af tungere elementer, " sagde Björn Benneke fra University of Montreal, Canada. "Vi har ikke noget lignende i solsystemet, og det er det, der gør det slående."

Astronomer fik de kombinerede multi-bølgelængde-kapaciteter fra NASA's Hubble snd Spitzer-rumteleskoper til at lave en første af sin slags undersøgelse af GJ 3470 b's atmosfære.

Dette blev opnået ved at måle absorptionen af ​​stjernelys, når planeten passerede foran sin stjerne (transit) og tabet af reflekteret lys fra planeten, da den passerede bag stjernen (formørkelse). Alt sammen, rumteleskoperne observerede 12 transitter og 20 formørkelser. Videnskaben om at analysere kemiske fingeraftryk baseret på lys kaldes "spektroskopi".

"For første gang har vi en spektroskopisk signatur af sådan en verden, sagde Benneke. Men han er i tvivl om klassificeringen:Skal det kaldes en "superjord" eller "under-Neptun?" Eller måske noget andet?

Tilfældigvis, atmosfæren i GJ 3470 b viste sig for det meste at være klar, med kun tynde dis, gør det muligt for forskerne at sondere dybt ned i atmosfæren.

"Vi forventede en atmosfære stærkt beriget med tungere grundstoffer som ilt og kulstof, der danner rigelig vanddamp og metangas, ligner det, vi ser på Neptun", sagde Benneke. "I stedet, vi fandt en atmosfære, der er så fattig på tunge grundstoffer, at dens sammensætning ligner Solens brint/helium-rige sammensætning."

Andre exoplaneter kaldet "varme Jupitere" menes at dannes langt fra deres stjerner, og med tiden migrerer meget tættere på. Men denne planet ser ud til at have dannet sig lige hvor den er i dag, siger Benneke.

Den mest plausible forklaring, ifølge Benneke, er, at GJ 3470 b blev født usikkert tæt på sin røde dværgstjerne, hvilket er omkring halvdelen af ​​vores sols masse. Han antager, at det i det væsentlige startede som en tør sten, og hurtigt ophobede brint fra en urskive af gas, da dens stjerne var meget ung. Disken kaldes en "protoplanetarisk disk".

"Vi ser et objekt, der var i stand til at ophobe brint fra den protoplanetariske skive, men flygtede ikke for at blive en varm Jupiter, " said Benneke. "This is an intriguing regime."

One explanation is that the disk dissipated before the planet could bulk up further. "The planet got stuck being a sub-Neptune, " said Benneke.

NASA's upcoming James Webb Space Telescope will be able to probe even deeper into GJ 3470 b's atmosphere thanks to the Webb's unprecedented sensitivity in the infrared. The new results have already spawned large interest by American and Canadian teams developing the instruments on Webb. They will observe the transits and eclipses of GJ 3470 b at light wavelengths where the atmospheric hazes become increasingly transparent.