Kemisk grundstof kalium fundet i en exoplanetatmosfære

Et hold af astronomer ledet af AIP Ph.D. studerende Engin Keles opdagede det kemiske grundstof kalium i atmosfæren på en exoplanet, for første gang med overvældende betydning og anvendelse af højopløsningsspektroskopi. Potsdam Echelle Polarimetric and Spectroscopic Instrument (PEPSI) ved Large Binocular Telescope (LBT) i Arizona blev brugt til at studere atmosfæren på den Jupiter-lignende exoplanet HD189733b.

Lige siden de tidligste teoretiske forudsigelser for 20 år siden, de kemiske grundstoffer kalium og natrium forventedes at kunne påvises i atmosfærer af "varme Jupiters, " gasformige planeter med temperaturer på et par tusinde Kelvin, der kredser tæt omkring fjerntliggende stjerner. Mens natrium allerede tidligt blev opdaget med højopløsningsobservationer, kalium var ikke, som skabte et puslespil for atmosfærisk kemi og fysik.

Grundstofferne kan opdages ved at analysere hjemmestjernens lysspektrum, når planeten passerer foran den set fra Jorden. Forskellige elementer forårsager specifikke absorptionssignaler i spektret, mørke linjer, som antyder atmosfærens kemiske sammensætning. Imidlertid, tilstedeværelsen af ​​skyer i varme Jupiter-atmosfærer svækker kraftigt eventuelle spektrale absorptionstræk og gør dem derfor meget svære at opdage. Selv for HD189733b, den bedst studerede varme Jupiter, hidtil havde videnskabsmænd kun en meget vag og upræcis viden om kaliumoptagelsen. exoplaneten, 64 lysår væk og på størrelse med Jupiter, kredser om sin hjemmestjerne - en rød kæmpe - på 53 timer og er 30 gange tættere på den end Jorden på Solen. Den havde brug for lysindsamlingsevnen fra 2x8, 4m LBT og den høje spektrale opløsning af PEPSI til definitivt at måle kalium for første gang ved høj opløsning i atmosfæriske lag over skyerne. Med disse nye målinger, forskere kan nu sammenligne absorptionssignalerne for kalium og natrium og dermed lære mere om processer som kondensering eller fotoionisering i disse exoplanetatmosfærer.

Teknikken, der blev anvendt til denne undersøgelse på LBT, kaldes transmissionsspektroskopi. Det kræver, at exoplaneten passerer foran værtsstjernen. "Vi tog en tidsserie af lysspektre under transitten og sammenlignede absorptionsdybden, " siger hovedforfatteren af ​​undersøgelsen, Engin Keles, Ph.D. studerende på AIP i gruppen Stellar Physics and Exoplanets. "Under transit, vi opdagede derefter kaliumsignaturen, som forsvandt før og efter transit som forventet, hvilket indikerer, at absorptionen er induceret af den planetariske atmosfære." Undersøgelser fra andre hold har allerede forsøgt at påvise kalium på den samme exoplanet, imidlertid, enten blev der ikke fundet noget, eller hvad der blev fundet var for svagt til at være statistisk signifikant. Indtil nu har der ikke været nogen signifikant påvisning af kalium i højopløsningsobservationer for nogen exoplanet.

"Vores observationer gjorde klart gennembruddet" understreger projektmedleder Dr. Matthias Mallonn, som er udstationeret af PEPSI's hovedforsker Prof. Klaus Strassmeier:"PEPSI er velegnet til denne opgave på grund af dens høje spektrale opløsning, der tillader opsamling af flere fotoner pr. pixel fra meget smalle spektrallinjer end nogen anden teleskop-spektrograf kombination." "Både som spektrograf og som spektropolarimeter, PEPSI har allerede ydet betydelige bidrag til stjernefysik, " tilføjer Christian Veillet, LBT-observatoriets direktør. "Denne stærke påvisning af kalium i atmosfæren på en exoplanet etablerer PEPSI som et fantastisk værktøj til exoplanetkarakterisering såvel som et unikt aktiv for medlemmerne af LBT-samfundet."