Ученые измерили атмосферу планеты в другой солнечной системе на расстоянии 340 световых лет от нас.

Художественный концепт экзопланеты «Горячий Юпитер». Предоставлено: НАСА, ЕКА и Л. Хустак (STScI).

Международная группа ученых, использующая телескоп Gemini Earth Observatory в Чили, стала первой, кто непосредственно измерил количество воды и угарного газа в атмосфере планеты в другой солнечной системе на расстоянии около 340 световых лет от нас.

Группу возглавляет доцент Майкл Лейн из Школы исследования Земли и космоса Университета штата Аризона, и результаты были опубликованы сегодня (27 октября 2021 года) в журнале. закаливать природу.

За пределами нашей солнечной системы есть тысячи известных планет (называемых экзопланетами). Ученые используют как космические, так и наземные телескопы, чтобы изучить, как формируются эти экзопланеты и чем они отличаются от планет в нашей солнечной системе.

В этом исследовании Лейн и его команда сосредоточили внимание на планете «WASP-77Ab», типе внесолнечная планета называется «горячим» Юпитер«Потому что они похожи на Юпитер в нашей солнечной системе, но с температурой более 2000 градусов. F.

Затем они сосредоточились на измерении состава его атмосферы, чтобы определить, какие элементы присутствуют по сравнению со звездой, вокруг которой она вращается.

«Учитывая их размеры и температуру, горячие юпитеры — отличные лаборатории для измерения атмосферных газов и проверки наших теорий о формировании планет», — сказал Лейн.

Хотя мы еще не можем отправлять космические корабли к планетам 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, например, Космический телескоп Хаббла, или с Земли, например в телескопы обсерватории Близнецов.

Лейн и его команда активно участвовали в измерении атмосферного состава экзопланет с помощью телескопа Хаббла, но получить эти измерения было сложно. Существует не только жесткая конкуренция за время телескопа, инструменты Хаббла измеряют только воду (или кислород), и команде также необходимо проводить измерения угарного газа (или углерода).

Именно здесь команда обратилась к Южному Телескопу Близнецов.

«Нам нужно было попробовать что-то другое, чтобы ответить на наши вопросы», — сказал Лейн. «И наш анализ возможностей Южных Близнецов показал, что мы можем получить очень точные измерения атмосферы».

Gemini South — это 8,1-метровый телескоп, расположенный на горе в чилийских Андах под названием Серро-Пачон, где очень сухой воздух и незначительная облачность делают его идеальным местом для установки телескопа. Он находится в ведении NOIRLab Национального научного фонда (Национальная исследовательская лаборатория оптической и инфракрасной астрономии).

Используя телескоп Gemini South и инструмент, называемый инфракрасным спектрометром с иммерсионной решеткой (IGRINS), команда наблюдала тепловое свечение экзопланеты, когда она вращалась вокруг своей звезды-хозяина. С этого устройства они собирали информацию о наличии и относительном количестве различных газов в 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 атмосфер планет — все равно что раскрыть преступление по отпечатку пальца», — сказал Лейн. «Смазанный отпечаток пальца не слишком сужает его, но очень чистый и аккуратный отпечаток пальца обеспечивает уникальный идентификатор того, кто совершил преступление».

Космический телескоп Хаббла предоставил команде один или два таинственных отпечатка пальцев, а IGRINS на юге Близнецов предоставил команде полный набор кристально чистых отпечатков пальцев.

Используя точные измерения 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. Уровень сигнала планеты, показанный в среднем столбце, вдоль предполагаемой видимой скорости (пунктирная морская кривая) планеты, вращающейся вокруг звезды, содержит информацию о количестве различных газов в атмосфере. Предоставлено: П. Смит / М. Лайнс. Селкирк / ASU

«Эти суммы соответствовали нашим ожиданиям и примерно такие же, как у ведущей звезды», — сказал Лейн.

Получение большого количества ультратонких газов в атмосферах экзопланет — это не только важный технический подвиг, особенно с помощью наземного телескопа, но также может помочь ученым искать жизнь на других планетах.

«Эта работа представляет собой демонстрацию того, как в конечном итоге биосигнатурные газы, такие как кислород и метан, могут быть измерены в потенциально обитаемых мирах в недалеком будущем», — сказал Лейн.

Далее Лайн и его команда ожидают воспроизвести этот анализ для нескольких планет и создать «образец» атмосферных измерений по крайней мере на 15 других планетах.

«Сейчас мы находимся в точке, где мы можем получить доли содержания газа, аналогичные содержанию планет в нашей солнечной системе. Измерение содержания углерода и кислорода (и других элементов) в атмосфере более крупной выборки экзопланет дает столь необходимые контекст для понимания происхождения и эволюции наших газовых гигантов, таких как Юпитер и СатурнЛиния сказала.

Они также с нетерпением ждут того, что могут предложить телескопы будущего.

«Если мы сможем сделать это с помощью современных технологий, подумайте о том, что мы сможем делать с новыми телескопами, такими как Giant Magellan Telescope», — сказал Лейн. «Вполне возможно, что к концу этого десятилетия мы сможем использовать тот же метод для изучения потенциальных сигналов жизни, которые также содержат углерод и кислород, на каменистых, похожих на Землю планетах за пределами нашей солнечной системы».

Ссылка: «Солнечный ток и квази-солнечный металличность в горячей атмосфере Юпитера» Майкла Р. Лайна, Маттео Бруги, Джейкоба Л. Пенна, Сиддхарта Ганди, Джозефа Залески, Вивиан Парментье, Питера Смита, Грегори Н. Меган Мэнсфилд, Элиза М. Кимтон, Джонатан Дж. Фортни, Евгения Школьник, Дженнифер Пассион, Эмили Раушер, Жан-Мишель Дезерт и Джаст Б. Уорднер, 27 октября 2021 г., закаливать природу.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03912-6

Помимо Лайна, в исследовательскую группу входят Джозеф Залески, Евгения Школьник, Дженнифер Патченс и Питер Смит из Школы исследования Земли и космоса Университета штата Аризона; Мэтью Бругги и Сиддхарт Ганди из Уорикский университет (Объединенное Королевство); Джейкоб Бин и Меган Мэнсфилд из Чикагский университет; Вивьен Парментье и Йуст Уорденье из Оксфордский университет (Объединенное 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.