Vand på exoplanets skytoppe kunne findes med højteknologisk instrumentering

University of Warwick astronomer har vist, at vanddamp potentielt kan detekteres i atmosfæren på exoplaneter ved at kigge bogstaveligt hen over toppen af ​​deres uigennemtrængelige skyer.

Ved at anvende teknikken på modeller baseret på kendte exoplaneter med skyer har holdet demonstreret i princippet, at højopløsningsspektroskopi kan bruges til at undersøge atmosfæren af ​​exoplaneter, der tidligere var for svære at karakterisere på grund af skyer, der er for tætte til, at tilstrækkeligt lys kan passere igennem.

Deres teknik er beskrevet i et papir til The Monthly Notices of the Royal Astronomical Society og giver en anden metode til at detektere tilstedeværelsen af ​​vanddamp i en exoplanets atmosfære - såvel som andre kemiske arter, der kunne bruges i fremtiden til at vurdere potentielle tegn på liv . Forskningen modtog støtte fra Science and Technologies Facilities Council (STFC), en del af UK Research and Innovation (UKRI).

Astronomer bruger lys fra en planets værtsstjerne til at lære, hvad dens atmosfære består af. Når planeten passerer foran stjernen, observerer de transmissionen af ​​stjernelys, mens det skimmer gennem den øvre atmosfære og ændrer dets spektrum. De kan derefter analysere dette spektrum for at se på bølgelængder, der har spektrale signaturer for specifikke kemikalier. Disse kemikalier, såsom vanddamp, metan og ammoniak, er kun til stede i spormængder i disse brint- og heliumrige planeter.

Imidlertid, tætte skyer kan blokere det lys i at passere gennem atmosfæren, efterlader astronomer med et funktionsløst spektrum. Højopløsningsspektroskopi er en relativt ny teknik, der bliver brugt i jordbaserede observatorier til at observere exoplaneter mere detaljeret, og Warwick-forskerne ønskede at undersøge, om denne teknologi kunne bruges til at detektere de sporkemikalier, der er til stede i det tynde atmosfæriske lag lige over disse skyer.

Mens astronomer har været i stand til at karakterisere atmosfæren af ​​mange større og varmere exoplaneter, der kredser tæt på deres stjerner, kaldet "varme Jupiters, " Mindre exoplaneter bliver nu opdaget ved køligere temperaturer (mindre end 700°C). Mange af disse planeter, som er på størrelse med Neptun eller mindre, har vist meget tykkere sky.

De modellerede to tidligere kendte "varme Neptuner" og simulerede, hvordan lyset fra deres stjerne ville blive detekteret af en højopløsningsspektrograf. GJ3470b er en overskyet planet, som astronomer tidligere havde været i stand til at karakterisere, mens GJ436b har været sværere at karakterisere på grund af et meget tykkere skylag. Begge simuleringer viste, at du ved høj opløsning kan detektere kemikalier som vanddamp, ammoniak og metan let med blot et par nætters observationer med et jordbaseret teleskop.

Teknikken fungerer anderledes end den metode, der for nylig blev brugt til at påvise fosfin på Venus, men kunne potentielt bruges til at søge efter enhver type molekyle i skyerne på en planet uden for vores solsystem, inklusive fosfin.

Hovedforfatter Dr. Siddharth Gandhi fra Institut for Fysik ved University of Warwick sagde:"Vi har undersøgt, om jordbaseret højopløsningsspektroskopi kan hjælpe os med at begrænse højden i atmosfæren, hvor vi har skyer, og begrænser kemiske overfloder på trods af disse skyer. Det vi ser er, at mange af disse planeter har vanddamp på sig, og vi begynder også at se andre kemikalier, men skyerne forhindrer os i at se disse molekyler klart. Vi har brug for en måde at detektere disse arter på, og højopløsningsspektroskopi er en potentiel måde at gøre det på, selvom der er en overskyet atmosfære. De kemiske overfloder kan fortælle dig ret meget om, hvordan planeten kan være dannet, fordi den efterlader sit kemiske fingeraftryk på molekylerne i atmosfæren. Fordi disse er gasgiganter, at detektere molekylerne i toppen af ​​atmosfæren giver også et vindue ind i den indre struktur, da gasserne blandes med de dybere lag."

De fleste observationer af exoplaneter er blevet udført ved hjælp af rumbaserede teleskoper som Hubble eller Spitzer, og deres opløsning er for lav til at registrere tilstrækkeligt signal fra over skyerne. Højopløsningsspektroskopi's fordel er, at den er i stand til at sondere et bredere område af højder.

Dr. Gandhi tilføjer:"Ganske mange af disse køligere planeter er alt for overskyede til at få nogen meningsfulde begrænsninger med den nuværende generation af rumteleskoper. Formodentlig efterhånden som vi finder flere og flere planeter, vil der være flere overskyede planeter, så det bliver virkelig vigtigt at opdage, hvad der er på dem. Jordbaseret højopløsningsspektroskopi såvel som den næste generation af rumteleskoper vil være i stand til at detektere disse sporarter på overskyede planeter, tilbyder spændende potentiale for biosignaturer i fremtiden."

Medforfatter Dr. Matteo Brogi, fra University of Warwick Department of Physics, sagde:"På trods af planeter med mellemstørrelse mellem Jorden og Neptun er de mest almindelige i vores galakse, vores solsystem er ikke vært for nogen af ​​dem. At være i stand til at bestemme arten af ​​disse exoplaneter giver os mulighed for bedre at placere vores solsystem i sammenhæng, som bringer os et skridt tættere på at opklare mysteriet om vores oprindelse."