Spørgsmål og svar:Forsker modellerer exoplanets atmosfære

I søgen efter liv hinsides vores galakse, mange videnskabsmænd har deres øjne vendt mod kugler som Jorden:klippeplaneter. Så efter at Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) opdagede en klippeplanet lidt større end Jorden sidste efterår, et team af forskere lancerede en kampagne for at tage yderligere billeder med Spitzer Space Telescope, det eneste teleskop i rummet i øjeblikket, der direkte kan detektere en planets infrarøde lys. Teleskopet producerede billeder, der var mindre end 1 pixel - 1/94 tomme - som et støvkorn, hvormed man kunne lave forudsigelser om planetens beboelighed.

At se på flere kredsløb om planeten gjorde det muligt for videnskabsmænd at kortlægge temperaturen på dens overflade og skabe modeller af dens atmosfære - egenskaber, som videnskabsmænd kun lige er begyndt at udvikle for klippeplaneter. Meget af det, forskerne lærer om exoplaneter, er baseret på, hvad de ved om de stjerner, de kredser om.

"Folk siger, at vi kun kender en planet lige så godt, som vi kender stjernen, fordi vi dybest set udleder ting baseret på hvad vi måler om stjernen, sagde Laura Schäfer, en assisterende professor i geologiske videnskaber ved Stanford's School of Earth Energy &Environmental Sciences (Stanford Earth) og medforfatter på en undersøgelse, der karakteriserer en planet, der blev offentliggjort i Natur 19. august.

Holdets analyser viser, at denne planet, LHS 3844b, ligger 48,6 lysår væk, er meget varmere end Jorden og kan være dækket af mørk vulkansk sten. Den kredser om en stjerne, der er mindre end solen, på kun 11 timer. Stjernen er en M-dværg – den mest almindelige og langlivede stjernetype, som derfor potentielt kan være vært for en høj procentdel af galaksens planeter – og klippeplanetens atmosfære er den første, der kredser om en M-dværg, der er karakteriseret. Forskere fandt ud af, at planeten har lidt eller ingen atmosfære, og kunne således ikke understøtte liv - et vigtigt fund for at forstå atmosfærer af lignende klippeplaneter omkring M dværge.

Stanford News Service talte med Schaefer for at forstå mere om resultaterne og hvad de betyder.

Hvorfor ønsker videnskabsmænd at udforske exoplaneter?

Meget bredt, det er for at prøve at forstå planetens dannelse bedre. Vi forstår ret detaljeret planeterne i vores eget solsystem, men det giver os kun et øjebliksbillede af, hvordan planetdannelsen fungerer. Ved at gå ud og finde planeter omkring andre stjerner, vi har opdaget mange skøre nye ting, som vi ikke var klar over, skete, da planeter blev dannet. For eksempel, vi fandt en klasse af planeter, som ingen forventede at eksistere, kaldet varme Jupiters. Det er faktisk den første slags exoplaneter, der blev opdaget.

Det andet store mål med at se på exoplaneter er at finde en anden planet som Jorden, der kan have liv på sig. Jeg fokuserer på de mindre klippeplaneter, ikke de store gasgiganter. Målet er til sidst at finde en planet i det, vi kalder "den beboelige zone, " som er et område i kredsløbsrummet, hvor flydende vand kan være stabilt på overfladen af ​​en planet som Jorden.

For at afgøre, om en planet har liv, vi skal være i stand til at måle dens atmosfære og se, om livet har påvirket den, som vi ved det har her på jorden, hvor vores atmosfære af ilt er produceret af livet. Før livet var udbredt på Jorden, dens atmosfære var meget anderledes. Så vi tænker, at hvis vi kan se på atmosfæren af ​​planeter i den beboelige zone og bestemme, hvad de er lavet af, så kunne vi måske sige, om de planeter har liv. Dette er et første lille skridt på vejen til at gøre det.

Hvordan kortlagde holdet temperaturen på en planet, der er så langt væk?

Ved at observere planeten på forskellige punkter langs dens bane, vi ser forskellige fraktioner af dagssiden af ​​planeten. Hvis vi ser på lyset fra stjernen, vi ser et stort fald, når planeten passerer foran stjernen, som vi kalder transit. Mens det går bag stjernen, vi ser et mindre dyk, som vi kalder den sekundære formørkelse. Mængden af ​​denne dyk giver os en begrænsning på planetens overfladetemperatur. Vi kan også se efter variationer i stjernelys, der giver os et temperaturkort med dagsiden og natsiden.

Vi kan begrænse kredsløbet ret godt; vi ved, hvor tæt den er på sin stjerne, og vi kender stjernens lysstyrke, så vi ved i det væsentlige, hvor meget lys planeten modtager fra stjernen. Vi bruger modeller af stjernens udvikling til at forsøge at forstå, hvor meget lys den planet har modtaget gennem hele sin levetid.

Hvad fortalte dataene dig om dens atmosfære?

En atmosfære kan tage varmen fra stjernen og flytte den rundt. Hvis planeten ikke har en atmosfære, så ville du forvente en stor kontrast mellem dagsiden og natsiden. To signaturer af atmosfæren er et skift i det højeste temperaturpunkt og en lavere amplitude af denne signatur, hvilket indikerer at varme bliver flyttet rundt. Med denne særlige planet – en af ​​de første klippeplaneter, hvorfra denne form for måling har kunnet udføres – fandt vi en stor temperaturkontrast mellem dag- og natsiden og ingen forskydning af det temperaturpunkt. Det indikerede, at atmosfæren skulle være rigtig tynd.

Mit bidrag var derefter at afgøre, om atmosfæren var stabil ved at køre modeller for at se på, hvor meget atmosfære planeten muligvis kunne miste for en række parametre i løbet af planetens levetid. Hvis planeten startede med omtrent samme mængde gasser, såsom vand og kuldioxid, som Jorden eller mere end det, så ville den have mistet dem alle i løbet af sin levetid på grund af stjernen, der opvarmede atmosfæren og fik den til at undslippe – det er en mekanisme til at undslippe atmosfæren. Vi så på en anden model, der begrænsede den nedre ende af atmosfæren, planeten kunne have, og konstaterede, at disse tynde atmosfærer ikke er stabile på denne planet.

Hvorfor fokuserer du din forskning på atmosfæriske flugtmodeller?

Jeg begyndte at arbejde med at forstå tidlige planetariske atmosfærer for et antal år siden, før jeg overhovedet startede på gymnasiet. Til mig, det er et af de mest interessante problemer, fordi det er planetens tidlige tilstand, der ser ud til at bestemme, hvordan den udvikler sig i løbet af dens levetid. Det er virkelig vigtigt for Jorden, fordi vi ikke ved meget om dens tidlige historie i den første halve milliard år – men det er den periode, hvor livet startede. Så mit perspektiv er, at du skal starte fra begyndelsen. Og det betyder faktisk at starte før planeten dannes og forsøge at forstå alle de processer, der går ind i at skabe planeten, og hvad der sætter de indledende betingelser, som den til sidst udvikler sig fra. Ved at se på disse varme, stenede exoplaneter, vi får testet vores forståelse af disse processer.