Astronomer opdager ny kemisk signatur i en exoplanetatmosfære ved hjælp af Subaru-teleskopet

Et internationalt samarbejde mellem astronomer ledet af en forsker fra Astrobiology Center og Queen's University Belfast har opdaget en ny kemisk signatur i atmosfæren på en ekstrasolar planet - dvs. en planet, der kredser om en anden stjerne end vores sol. Hydroxylradikalet (OH) blev fundet på dagsiden af ​​exoplaneten WASP-33b. Denne planet er en såkaldt 'ultra-hot Jupiter, " en gasgigantisk planet, der kredser om sin værtsstjerne meget tættere end Merkur, kredser om solen (figur 1) og når derfor atmosfæriske temperaturer på mere end 2500 grader C (varm nok til at smelte de fleste metaller). Den ledende forsker baseret på Astrobiology Center og Queen's University Belfast, Dr. Stevanus Nugroho, siger, "Dette er det første direkte bevis på OH i atmosfæren på en planet ud over solsystemet. Det viser ikke kun, at astronomer kan detektere dette molekyle i exoplanetatmosfærer, men også at de kan begynde at forstå den detaljerede kemi af denne planetariske befolkning."

I jordens atmosfære, OH produceres hovedsageligt ved reaktion af vanddamp med atomart oxygen. Det er et såkaldt 'atmosfærisk detergent' og spiller en afgørende rolle i jordens atmosfære for at rense forurenende gasser, der er farlige for liv (f.eks. metan, carbonmonoxid). På en meget varmere og større planet som WASP-33b (Figur 2, hvor astronomer tidligere har opdaget tegn på jern- og titaniumoxidgas) spiller OH en nøglerolle i at bestemme atmosfærens kemi gennem interaktioner med vanddamp og kulilte. Det meste af OH i atmosfæren af ​​WASP-33b menes at være blevet produceret ved ødelæggelse af vanddamp på grund af den ekstremt høje temperatur. "Vi ser kun et foreløbigt og svagt signal fra vanddamp i vores data, hvilket ville understøtte ideen om, at vand bliver ødelagt for at danne hydroxyl i dette ekstreme miljø, " forklarer Dr. Ernst de Mooij fra Queen's University Belfast, medforfatter på denne undersøgelse.

For at gøre denne opdagelse, holdet brugte det infrarøde Doppler-instrument (IRD) ved Subaru-teleskopet med en diameter på 8,2 meter, der ligger på toppen af ​​Maunakea i Hawai'i (ca. 200 m over havets overflade). Dette nye instrument kan detektere atomer og molekyler gennem deres 'spektrale fingeraftryk, " unikke sæt af mørke absorptionsegenskaber overlejret på regnbuen af ​​farver (eller spektrum), der udsendes af stjerner og planeter. Når planeten kredser om sin værtsstjerne, dens hastighed i forhold til Jorden ændrer sig med tiden. Ligesom sirenen fra en ambulance eller brølet fra en racerbils motor ser ud til at ændre tonehøjde, mens den suser forbi os, frekvenserne af lys (dvs. farve) af disse spektrale fingeraftryk ændres med planetens hastighed. Dette giver os mulighed for at adskille planetens signal fra dens klare værtsstjerne, som normalt overvælder sådanne observationer, på trods af at moderne teleskoper ikke er nær kraftige nok til at tage direkte billeder af sådanne 'varme Jupiter' exoplaneter.

"Videnskaben om ekstrasolare planeter er relativt ny, og et centralt mål for moderne astronomi er at udforske disse planeters atmosfærer i detaljer og til sidst at søge efter "jordlignende" exoplaneter - planeter, der ligner vores egen. Hver ny atmosfærisk art, der opdages, forbedrer yderligere vores forståelse af exoplaneter og de nødvendige teknikker til at studere deres atmosfærer, og bringer os tættere på dette mål" siger Dr. Neale Gibson, assisterende professor ved Trinity College Dublin og medforfatter til dette arbejde. Ved at drage fordel af de unikke muligheder i IRD, astronomerne var i stand til at detektere det lille signal fra hydroxyl i planetens atmosfære. "IRD er det bedste instrument til at studere atmosfæren på en exoplanet i det infrarøde, " tilføjer prof. Motohide Tamura, en af ​​IRD's hovedefterforskere, direktør for Astrobiologisk Center, og medforfatter til dette værk.

"Disse teknikker til atmosfærisk karakterisering af exoplaneter er stadig kun anvendelige på meget varme planeter, men vi vil gerne videreudvikle instrumenter og teknikker, der gør os i stand til at anvende disse metoder på køligere planeter, og i sidste ende, til en anden jord, " siger Dr. Hajime Kawahara, assisterende professor ved University of Tokyo og medforfatter til dette arbejde.

Prof. Chris Watson (QUB) fra Queen's University Belfast, en medforfatter på denne undersøgelse, fortsætter, "Mens WASP-33b kan være en kæmpe planet, disse observationer er testbedet for næste generations faciliteter som Thirty Meter Telescope og European Extremely Large Telescope i at søge efter biosignaturer på mindre og potentielt stenede verdener, som kan give hints til et af menneskehedens ældste spørgsmål, "Er vi alene?"

Disse resultater blev offentliggjort i Astrofysiske tidsskriftsbreve den 23. marts, 2021.