Художественная концепция внесолнечной планеты «горячий Юпитер». Предоставлено: НАСА, ЕКА и Л. Хустак (STScI).
Международная группа ученых с помощью наземного телескопа обсерватории Джемини в Чили стала первой, кто непосредственно измерил количество воды и угарного газа в атмосфере планеты в другой солнечной системе, находящейся на расстоянии примерно 340 световых лет от Земли.
Группу возглавляет доцент Майкл Лайн из Школы исследования Земли и космоса Университета штата Аризона, и результаты были опубликованы сегодня (27 октября 2021 г.) в журнале. Природа.
Есть тысячи известных планет за пределами нашей солнечной системы (называемых экзопланетами). Ученые используют как космические телескопы, так и наземные телескопы, чтобы изучить, как формируются эти экзопланеты и чем они отличаются от планет в нашей солнечной системе.
Для этого исследования Лайн и его команда сосредоточились на планете «WASP-77Ab», типе
“> экзопланета называется «горячим
“> Юпитер«Потому что они похожи на Юпитер нашей солнечной системы, но с температурой выше 2000 градусов.
“> Фаренгейт.
Затем они сосредоточились на измерении состава его атмосферы, чтобы определить, какие элементы присутствуют, по сравнению со звездой, вокруг которой она вращается.
«Из-за своих размеров и температур горячие юпитеры – отличные лаборатории для измерения атмосферных газов и проверки наших теорий образования планет», – сказал Лайн.
Хотя мы еще не можем отправлять космические корабли на планеты за пределами нашей солнечной системы, ученые могут изучать свет экзопланет с помощью телескопов. Телескопы, которые они используют для наблюдения за этим светом, могут находиться либо в космосе, как
“> Космический телескоп Хаббла, или с земли, как телескопы обсерватории Близнецы.
Лайн и его команда активно участвовали в измерении атмосферного состава экзопланет с помощью телескопа Хаббла, но получить эти измерения было непросто. Мало того, что существует жесткая конкуренция за время телескопа, инструменты Хаббла измеряют только воду (или кислород), и команде также необходимо было собрать измерения оксида углерода (или углерода).
Именно здесь команда обратилась к телескопу Gemini South.
«Нам нужно было попробовать что-то другое, чтобы ответить на наши вопросы», – сказал Лайн. «И наш анализ возможностей Gemini South показал, что мы можем получить сверхточные атмосферные измерения».
Gemini South – это телескоп диаметром 8,1 метра, расположенный на горе в чилийских Андах под названием Серро Пачон, где очень сухой воздух и незначительная облачность делают его основным местом расположения телескопа. Он находится в ведении NOIRLab Национального научного фонда (Национальная исследовательская лаборатория оптико-инфракрасной астрономии).
Используя телескоп Gemini South и инструмент под названием Immersion GRating INfrared Spectrometer (IGRINS), команда наблюдала тепловое свечение экзопланеты, когда она вращалась вокруг своей звезды-хозяина. С помощью этого прибора они собрали информацию о наличии и относительном количестве различных газов в его атмосфере.
Подобно метеорологическим и климатическим спутникам, которые используются для измерения количества водяного пара и углекислого газа в атмосфере Земли, ученые могут использовать спектрометры и телескопы, такие как IGRINS на юге Близнецов, для измерения количества различных газов на других планетах.
«Пытаться выяснить состав атмосферы планеты – все равно что раскрыть преступление по отпечаткам пальцев», – сказал Лайн. «Смазанный отпечаток пальца на самом деле не слишком сужает его, но очень красивый чистый отпечаток пальца дает уникальный идентификатор того, кто совершил преступление».
Космический телескоп Хаббла предоставил команде, возможно, один или два нечетких отпечатка пальца, а IGRINS на юге Близнецов предоставил команде полный набор совершенно четких отпечатков пальцев.
Благодаря точным измерениям как воды, так и оксида углерода в атмосфере WASP-77Ab, команда смогла оценить относительные количества кислорода и углерода в атмосфере экзопланеты.
Измеряя доплеровский сдвиг, показанный в правом столбце этого рисунка, ученые могут восстановить орбитальную скорость планеты во времени по направлению к Земле или от нее. Сила сигнала планеты, показанная в среднем столбце, вдоль ожидаемой видимой скорости (темно-синяя пунктирная кривая) планеты, вращающейся вокруг звезды, содержит информацию о количестве различных газов в атмосфере. Предоставлено: П. Смит / М. Линия / С. Селкирк / ASU
«Эти суммы соответствовали нашим ожиданиям и примерно такие же, как у ведущей звезды», – сказал Лайн.
Получение сверхточного содержания газа в атмосферах экзопланет является не только важным техническим достижением, особенно с помощью наземного телескопа, но и может помочь ученым искать жизнь на других планетах.
«Эта работа представляет собой первопроходческую демонстрацию того, как мы будем в конечном итоге измерять биосигнатурные газы, такие как кислород и метан, в потенциально обитаемых мирах в не столь отдаленном будущем», – сказал Лайн.
Что Лайн и команда планируют сделать дальше, так это повторить этот анализ для многих других планет и создать «образец» атмосферных измерений еще как минимум на 15 планетах.
«Мы сейчас находимся в точке, где мы можем получить сравнимую точность содержания газа с этими планетами в нашей солнечной системе. Измерение содержания углерода и кислорода (и других элементов) в атмосфере более крупной выборки экзопланет обеспечивает столь необходимый контекст для понимания происхождения и эволюции наших собственных газовых гигантов, таких как Юпитер и другие.
“> Сатурн, – сказал Лайн.
Они также с нетерпением ждут того, что смогут предложить телескопы будущего.
«Если мы сможем сделать это с помощью сегодняшних технологий, подумайте о том, что мы сможем делать с перспективными телескопами, такими как Giant Magellan Telescope», – сказал Лайн. «Это реальная возможность, что мы сможем использовать этот же метод к концу этого десятилетия, чтобы вынюхивать потенциальные признаки жизни, которые также содержат углерод и кислород, на скалистых земных планетах за пределами нашей солнечной системы».
Ссылка: «Солнечный К / О и субсолнечная металличность в атмосфере горячего Юпитера» Майкла Р. Лайна, Маттео Броги, Джейкоба Л. Бина, Сиддхарта Ганди, Джозефа Залески, Вивьен Парментье, Питера Смита, Грегори Н. Мейса, Меган Мэнсфилд, Элиза М.-Р. Кемптон, Джонатан Дж. Фортни, Евгения Школьник, Дженнифер Пейшенс, Эмили Раушер, Жан-Мишель Дезерт и Йуст П. Уорденер, 27 октября 2021 г., Природа.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03912-6
Помимо Лайна, в исследовательскую группу входят Джозеф Залески, Евгения Школьник, Дженнифер Пейшенс и Питер Смит из Школы исследования Земли и космоса АГУ; Маттео Броги и Сиддхарт Ганди из
“> Уорикский университет (СОЕДИНЕННОЕ КОРОЛЕВСТВО); Джейкоб Бин и Меган Мэнсфилд из
“> Чикагский университет; Вивьен Парментье и Юст Надзиратель
“> Оксфордский университет (СОЕДИНЕННОЕ КОРОЛЕВСТВО); Грегори Мейс из Техасского университета в Остине; Элиза Кемптон из Мэрилендского университета; Джонатан Фортни из Калифорнийского университета в Санта-Круз; Эмили Раушер из Мичиганского университета; и Жан-Мишель Дезерт из Амстердамского университета.