Astronomen analysierten HAT-P-18 b mit dem James-Webb-Weltraumteleskop und entdeckten Wasserdampf und CO2 in seiner Atmosphäre. Sie hoben die Herausforderungen bei der Unterscheidung zwischen atmosphärischen und stellaren Signalen hervor und legten nahe, dass Sternflecken die Dateninterpretation erheblich beeinflussen. (Konzept des Künstlers.) Bildnachweis: SciTechDaily.com
Astronomen nutzten das JWST, um die Atmosphäre des Planeten zu untersuchen Exoplanet HAT-P-18 b entdeckt Wasserdampf und CO2 und betont gleichzeitig den Einfluss der Eigenschaften des Muttersterns auf die Datenanalyse.
Unter der Leitung von Forschern des Trottier-Instituts für Exoplanetenforschung (iREx) der Université de Montréal hat ein Team von Astronomen die Leistung des revolutionären James Webb Space Webb Telescope (JWST) genutzt, um das „Heiße“ zu untersuchen Saturn” Exoplanet HAT-P-18 b.
Ihre Ergebnisse wurden letzten Monat in der Zeitschrift veröffentlicht Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical SocietyZeichnen Sie ein vollständiges Bild der Atmosphäre von HAT-P-18 b und erkunden Sie gleichzeitig die große Herausforderung, seine atmosphärischen Signale von der Aktivität seines Sterns zu unterscheiden.
HAT-P-18 b befindet sich über 500 Lichtjahre entfernt und hat eine ähnliche Masse wie Saturn, aber eine Größe, die näher an der des größeren Planeten liegt Jupiter. Dadurch verfügt der Exoplanet über eine „aufgeblasene“ Atmosphäre, die sich besonders gut für die Analyse eignet.
Eine künstlerische Darstellung des „heißen Saturn“-Exoplaneten HAT-P-18 b. Bildnachweis: NASA/Eyes on Exoplanets
Über einen gefleckten Stern hinweggehen
Beobachtungen vom JWST wurden gemacht, während HAT-P-18 b vor seinem sonnenähnlichen Stern vorbeizog. Dieser Moment wird als Transit bezeichnet und ist entscheidend für die Entdeckung und weitere Charakterisierung eines Exoplaneten aus Hunderten von Lichtjahren Entfernung mit überraschender Präzision.
Astronomen beobachten kein Licht, das direkt vom fernen Planeten ausgestrahlt wird. Sie untersuchen vielmehr, wie das Licht des Zentralsterns durch den ihn umkreisenden Planeten blockiert und beeinflusst wird, und müssen daher versuchen, die durch die Anwesenheit des Planeten verursachten Signale von denen zu trennen, die durch die Eigenschaften des Sterns selbst verursacht werden.
Die Lichtkurve zeigt die Leuchtkraft bzw. Helligkeit des Sterns über die Zeit. Wenn der Exoplanet den Stern überfliegt, was als Transit bezeichnet wird, wird ein Teil des Lichts des Sterns vom Exoplaneten blockiert. Dadurch nimmt die Leuchtkraft des Sterns ab. Wenn ein Sternfleck auf der Sternoberfläche verdeckt wird oder wenn der Exoplanet den dunklen Fleck überquert, können Astronomen ein Signal in der Lichtkurve in Form einer kleinen Erhebung am unteren Ende der Transitlichtkurve erkennen. Sehen Sie sich unten die vollständige Animation dieser Infografik an. Bildnachweis: B. Gougeon/Université de Montréal
Sterne haben, genau wie unsere Sonne, keine einheitliche Oberfläche. Sie können dunkle Sternflecken und helle Regionen aufweisen, die Signale erzeugen können, die die atmosphärischen Eigenschaften eines Planeten nachahmen. Eine aktuelle Studie des Exoplaneten TRAPPIST-1 b und seines Sterns TRAPPIST-1 unter der Leitung der UdeM-Doktorandin Olivia Lim beobachtete einen Ausbruch oder Flare auf der Oberfläche des Sterns, der die Beobachtungen beeinträchtigte.
Im Fall des Planeten HAT-P-18 b fing Webb den Exoplaneten genau dann ein, als er über einen dunklen Fleck auf seinem Stern HAT-P-18 flog. Dies wird als Spot-Crossing-Ereignis bezeichnet und seine Auswirkung wurde in den für die neue Studie gesammelten Daten deutlich. Das iREx-Team berichtete außerdem über das Vorhandensein zahlreicher anderer Sternflecken auf der Oberfläche von HAT-P-18, die nicht vom Exoplaneten verdeckt wurden.
Um die atmosphärische Zusammensetzung des Exoplaneten genau zu bestimmen, mussten die Forscher gleichzeitig die Atmosphäre des Planeten und die Besonderheiten seines Sterns modellieren. In ihrer Studie weisen sie darauf hin, dass eine solche Berücksichtigung bei der Behandlung künftiger Exoplanetenbeobachtungen über das Webb von entscheidender Bedeutung sein wird, um deren Potenzial voll auszuschöpfen.
„Wir haben herausgefunden, dass die Berücksichtigung der Sternkontamination die Existenz von Flecken und Wolken anstelle von Dunst impliziert und eine Wasserdampfhäufigkeit ergibt, die fast eine Größenordnung geringer ist“, sagte Hauptautorin Marylou Fournier-Tondreau.
„Es macht also einen großen Unterschied, den Wirtsstern des Systems zu berücksichtigen“, fügte Fournier-Tondreau hinzu, der die Arbeit als Masterstudent bei iREx gemacht hat und jetzt einen Doktortitel anstrebt. Bei der Universität von Oxford.
„Es ist tatsächlich das erste Mal, dass wir die Signatur von Dunst und Sternenflecken klar unterscheiden können, dank des kanadischen Instruments NIRISS (Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph), das eine breitere Wellenlängenabdeckung bis in den Bereich des sichtbaren Lichts bietet.“
H2O, CO2 und Wolken in einer sengenden Atmosphäre
Nach der Modellierung des Exoplaneten und des Sterns im HAT-P-18-System führten die iREx-Astronomen eine sorgfältige Analyse der atmosphärischen Zusammensetzung von HAT-P-18 b durch. Durch die Untersuchung des Lichts, das durch die Atmosphäre des Exoplaneten dringt, während er seinen Mutterstern passiert, stellten die Forscher das Vorhandensein von Wasserdampf (H2O) und Kohlendioxid (CO2) fest.
Die Forscher entdeckten auch das mögliche Vorhandensein von Natrium und beobachteten deutliche Anzeichen einer Wolkendecke in der Atmosphäre von HAT-P-18 b, die die Signale vieler darin gefundener Moleküle zu dämpfen scheint. Sie kamen außerdem zu dem Schluss, dass die Oberfläche des Sterns von vielen dunklen Flecken bedeckt war, die die Interpretation der Daten erheblich beeinflussen können.
Eine frühere Analyse derselben JWST-Daten unter der Leitung eines Teams der Johns Hopkins University hatte ebenfalls einen klaren Nachweis von Wasser und CO2 ergeben, berichtete aber auch über den Nachweis kleiner Partikel in großen Höhen, die als Dunst bezeichnet werden, und fand Hinweise auf Methan (CH4). Die iREx-Astronomen zeichnen ein anderes Bild.
Der CH4-Nachweis wurde nicht bestätigt und die ermittelte Wasserhäufigkeit war zehnmal geringer als zuvor festgestellt. Sie fanden außerdem heraus, dass die Erkennung von Dunstwolken in der vorherigen Studie stattdessen durch Sternflecken auf der Sternoberfläche verursacht werden könnte, was die Bedeutung der Berücksichtigung des Sterns bei der Analyse unterstreicht.
Könnte der Exoplanet Leben ermöglichen? Unwahrscheinlich. Während Moleküle wie Wasser, Kohlendioxid und Methan in bestimmten Verhältnissen oder in Kombination mit anderen Molekülen als Biosignaturen oder Lebenszeichen interpretiert werden können, herrschen bei HAT-P-18 b sengende Temperaturen von fast 600 Grad Celsius verheißen nichts Gutes für die Bewohnbarkeit des Planeten.
Zukünftige Beobachtungen mit einem anderen JWST-Instrument, dem Nahinfrarotspektrographen (NIRSpec), versprechen, die Ergebnisse des Teams zu verfeinern, beispielsweise die CO2-Erkennung, und noch mehr Licht auf die Feinheiten dieses heißen Saturn-Exoplaneten zu werfen.
Referenz: „Near-Infrared Transmission Spectroscopy of HAT-P-18 b with NIRISS: Disentangling Planetary and Stellar Features in the Era of JWST“ von Marylou Fournier-Tondreau, Ryan J MacDonald, Michael Radica, David Lafreniére, Luis Welbanks, Caroline Piaulet , Louis-Philippe Coulombe, Romain Allart, Kim Morel, Étienne Artigau, Loíc Albert, Olivia Lim, René Doyon, Björn Benneke, Jason F. Rowe, Antoine Darveau-Bernier, Nicolas B. Cowan, Nikole K. Lewis, Neil James Cook, Laura Flagg , Frédéric Genest, Stefan Pelletier, Doug Johnstone, Lisa Dang, Lisa Kaltenegger, Jake Taylor und Jake D Turner, 09. Dezember 2023, Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society.
DOI: 10.1093/mnras/stad3813