Das Konzept eines Künstlers eines „heißen Jupiter“ extrasolaren Planeten. Bildnachweis: NASA, ESA und L. Hustak (STScI)
Ein internationales Wissenschaftlerteam misst mit dem bodengestützten Gemini-Observatoriumsteleskop in Chile erstmals direkt die Menge an Wasser und Kohlenmonoxid in der Atmosphäre eines Planeten in einem anderen Sonnensystem, das etwa 340 Lichtjahre entfernt ist.
Das Team wird von Assistant Professor Michael Line von der School of Earth and Space Exploration der Arizona State University geleitet und die Ergebnisse wurden heute (27. Oktober 2021) in der Zeitschrift veröffentlicht Natur.
Es gibt Tausende von bekannten Planeten außerhalb unseres eigenen Sonnensystems (sogenannte Exoplaneten). Wissenschaftler verwenden sowohl Weltraumteleskope als auch bodengestützte Teleskope, um zu untersuchen, wie diese Exoplaneten entstehen und wie sie sich von den Planeten in unserem eigenen Sonnensystem unterscheiden.
Für diese Studie konzentrierten sich Line und sein Team auf den Planeten „WASP-77Ab“, eine Art von Exoplanet als “heiß” bezeichnet Jupiter” weil sie wie der Jupiter unseres Sonnensystems sind, aber mit einer Temperatur von mehr als 2.000 Grad Fahrenheit.
Anschließend konzentrierten sie sich darauf, die Zusammensetzung seiner Atmosphäre zu messen, um festzustellen, welche Elemente im Vergleich zu dem Stern, den er umkreist, vorhanden sind.
„Aufgrund ihrer Größe und Temperatur sind heiße Jupiter ausgezeichnete Labors, um atmosphärische Gase zu messen und unsere Theorien zur Planetenentstehung zu testen“, sagte Line.
Während wir noch keine Raumsonden zu Planeten außerhalb unseres Sonnensystems schicken können, können Wissenschaftler das Licht von Exoplaneten mit Teleskopen untersuchen. Die Teleskope, mit denen sie dieses Licht beobachten, können sich entweder im Weltraum befinden, wie die Hubble-Weltraumteleskop, oder vom Boden aus, wie die Teleskope des Gemini-Observatoriums.
Line und sein Team waren intensiv an der Messung der atmosphärischen Zusammensetzung von Exoplaneten mit Hubble beteiligt, aber diese Messungen zu erhalten, war eine Herausforderung. Es gibt nicht nur einen starken Wettbewerb um die Teleskopzeit, die Instrumente von Hubble messen nur Wasser (oder Sauerstoff) und das Team musste auch Messungen von Kohlenmonoxid (oder Kohlenstoff) sammeln.
Hier wandte sich das Team dem Gemini South-Teleskop zu.
„Wir mussten etwas anderes ausprobieren, um unsere Fragen zu beantworten“, sagte Line. „Und unsere Analyse der Fähigkeiten von Gemini South hat gezeigt, dass wir ultrapräzise atmosphärische Messungen erhalten können.“
Gemini South ist ein Teleskop mit einem Durchmesser von 8,1 Metern, das sich auf einem Berg in den chilenischen Anden namens Cerro Pachón befindet, wo sehr trockene Luft und eine vernachlässigbare Wolkendecke es zu einem erstklassigen Teleskopstandort machen. Es wird vom NOIRLab (National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory) der National Science Foundation betrieben.
Mit dem Gemini South-Teleskop und einem Instrument namens Immersion GRating INfrared Spectrometer (IGRINS) beobachtete das Team das thermische Leuchten des Exoplaneten, während er seinen Wirtsstern umkreiste. Mit diesem Instrument sammelten sie Informationen über das Vorhandensein und die relativen Mengen verschiedener Gase in seiner Atmosphäre.
Wie Wetter- und Klimasatelliten, mit denen die Menge an Wasserdampf und Kohlendioxid in der Erdatmosphäre gemessen wird, können Wissenschaftler mit Spektrometern und Teleskopen wie IGRINS auf Gemini South die Mengen verschiedener Gase auf anderen Planeten messen.
“Der Versuch, die Zusammensetzung der planetarischen Atmosphären herauszufinden, ist wie der Versuch, ein Verbrechen mit Fingerabdrücken aufzuklären”, sagte Line. „Ein verwischter Fingerabdruck grenzt es nicht wirklich ein, aber ein sehr schöner, sauberer Fingerabdruck bietet eine eindeutige Identifizierung des Täters.“
Während das Hubble-Weltraumteleskop dem Team vielleicht ein oder zwei verschwommene Fingerabdrücke lieferte, lieferte IGRINS auf Gemini South dem Team einen vollständigen Satz vollkommen klarer Fingerabdrücke.
Und mit klaren Messungen von Wasser und Kohlenmonoxid in der Atmosphäre von WASP-77Ab konnte das Team dann die relativen Mengen an Sauerstoff und Kohlenstoff in der Atmosphäre des Exoplaneten abschätzen.
Durch die Messung der Dopplerverschiebung, die in der rechten Spalte dieser Abbildung dargestellt ist, können Wissenschaftler die Umlaufgeschwindigkeit eines Planeten in Richtung oder von der Erde weg rekonstruieren. Die Stärke des Planetensignals, wie in der mittleren Spalte gezeigt, entlang der erwarteten scheinbaren Geschwindigkeit (marine gestrichelte Kurve) des Planeten, wenn er den Stern umkreist, enthält Informationen über die Mengen verschiedener Gase in der Atmosphäre. Bildnachweis: P. Smith/M. Linien. Selkirk/ASU
„Diese Beträge entsprachen unseren Erwartungen und entsprechen in etwa denen des Host-Stars“, sagte Line.
Die Erzielung ultrapräziser Gasmengen in Atmosphären von Exoplaneten ist nicht nur eine wichtige technische Errungenschaft, insbesondere mit einem bodengestützten Teleskop, sondern kann Wissenschaftlern auch bei der Suche nach Leben auf anderen Planeten helfen.
„Diese Arbeit ist eine wegweisende Demonstration dafür, wie wir in nicht allzu ferner Zukunft Biosignaturgase wie Sauerstoff und Methan in potenziell bewohnbaren Welten messen werden“, sagte Line.
Als nächstes erwarten Line und das Team, diese Analyse für viele weitere Planeten zu wiederholen und eine „Probe“ atmosphärischer Messungen auf mindestens 15 weiteren Planeten zu erstellen.
„Wir sind jetzt an dem Punkt angelangt, an dem wir vergleichbare Genauigkeiten der Gashäufigkeit erreichen können wie bei diesen Planeten in unserem eigenen Sonnensystem. Die Messung der Häufigkeiten von Kohlenstoff und Sauerstoff (und anderen Elementen) in der Atmosphäre einer größeren Probe von Exoplaneten bietet den dringend benötigten Kontext, um die Ursprünge und die Entwicklung unserer eigenen Gasriesen wie Jupiter und zu verstehen Saturn“, sagte Linie.
Sie sind auch gespannt, was zukünftige Teleskope zu bieten haben.
„Wenn uns dies mit der heutigen Technologie gelingt, denken Sie darüber nach, was wir mit den aufstrebenden Teleskopen wie dem Giant Magellan Telescope erreichen können“, sagte Line. „Es ist durchaus möglich, dass wir bis Ende dieses Jahrzehnts mit derselben Methode potenzielle Signaturen von Leben, die auch Kohlenstoff und Sauerstoff enthalten, auf felsigen erdähnlichen Planeten außerhalb unseres eigenen Sonnensystems erschnüffeln können.“
Referenz: „A solar C/O and subsolar metallicity in a hot Jupiter Atmosphere“ von Michael R. Line, Matteo Brogi, Jacob L. Bean, Siddharth Gandhi, Joseph Zalesky, Vivien Parmentier, Peter Smith, Gregory N. Mace, Megan Mansfield, Eliza M.-R. Kempton, Jonathan J. Fortney, Evgenya Shkolnik, Jennifer Patience, Emily Rauscher, Jean-Michel Désert und Joost P. Wardenier, 27. Oktober 2021, Natur.
DOI: 10.1038/s41586-021-03912-6
Neben Line umfasst das Forschungsteam Joseph Zalesky, Evgenya Shkolnik, Jennifer Patience und Peter Smith von der School of Earth and Space Exploration der ASU; Matteo Brogi und Siddharth Gandhi von der Universität Warwick (VEREINIGTES KÖNIGREICH); Jacob Bean und Megan Mansfield von der Universität von Chicago; Vivien Parmentier und Joost Wardenier von der Universität von Oxford (VEREINIGTES KÖNIGREICH); Gregory Mace von der University of Texas in Austin; Eliza Kempton von der University of Maryland; Jonathan Fortney von der University of California, Santa Cruz; Emily Rauscher von der University of Michigan; und Jean-Michel Désert von der Universität Amsterdam.