Odkrywanie tajemnic „gorącego Saturna” i jego nakrapianej gwiazdy

Astronomowie wykorzystali Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba do badania atmosfery galaktycznej Egzoplaneta HAT-P-18 b wyszukuje parę wodną i dwutlenek węgla ze szczególnym uwzględnieniem wpływu właściwości gwiazdy macierzystej na analizę danych.

Zespół astronomów kierowany przez naukowców z Instytutu Badań nad Exoplanetami (iREx) Uniwersytetu w Montrealu wykorzystał moc rewolucyjnego Teleskopu Kosmicznego Jamesa Webba (JWST) do badania „gorących planet”. Saturn„Egzoplaneta HAT-P-18 b.

Wyniki ich badań opublikowano w zeszłym miesiącu w czasopiśmie Miesięczne powiadomienia Królewskiego Towarzystwa Astronomicznegonarysuj pełny obraz atmosfery HAT-P-18 b, badając główne wyzwanie, jakim jest odróżnienie sygnałów atmosferycznych od aktywności jej gwiazdy.

HAT-P-18 b znajduje się ponad 500 lat świetlnych od nas i ma masę podobną do masy Saturna, ale rozmiarami bliższymi większej planety. Jowisz. W rezultacie egzoplaneta ma „puchnącą” atmosferę, która jest szczególnie idealna do analiz.

Artystyczne przedstawienie egzoplanety „gorącego Saturna”, HAT-P-18 b. Źródło: NASA/Oczy na egzoplanety

Przechodząc nad nakrapianą gwiazdą

Obserwacje wykonano z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba, gdy HAT-P-18 b przeleciał przed swoją gwiazdą podobną do Słońca. Ten moment nazywany jest tranzytem i jest niezbędny do wykrycia i scharakteryzowania egzoplanety oddalonej o setki lat świetlnych od nas z niesamowitą precyzją.

Astronomowie nie obserwują bezpośrednio światła emitowanego przez odległą planetę. Zamiast tego badają, w jaki sposób światło gwiazdy centralnej jest blokowane i oddziaływane przez krążącą wokół niej planetę, dlatego muszą próbować oddzielić sygnały wynikające z obecności planety od tych wynikających z właściwości samej gwiazdy.

Krzywa blasku pokazuje jasność lub jasność gwiazdy w czasie. Kiedy egzoplaneta przechodzi nad gwiazdą, co nazywa się tranzytem, ​​część światła gwiazdy jest blokowana przez egzoplanetę. W rezultacie jasność gwiazdy maleje. Kiedy plama gwiazdowa zasłania powierzchnię gwiazdy lub gdy egzoplaneta przechodzi nad ciemną plamą, astronomowie mogą dostrzec sygnał na krzywej blasku w postaci małego guzka na dole przechodzącej krzywej blasku. Obejrzyj pełną animację tego wykresu poniżej. Źródło: B. Gougeon/Université de Montreal

Podobnie jak nasze Słońce, gwiazdy nie mają jednolitych powierzchni. Może zawierać ciemne plamy gwiazdowe i jasne obszary, które mogą generować sygnały naśladujące cechy atmosfery planety. Niedawne badania egzoplanety TRAPPIST-1 b i jej gwiazdy TRAPPIST-1, prowadzone przez doktorantkę UdeM Olivię Lim, były świadkami eksplozji, czyli rozbłysku na powierzchni gwiazdy, mającej wpływ na obserwacje.

W przypadku HAT-P-18 b Webbowi udało się uchwycić egzoplanetę przechodzącą nad ciemną plamą na swojej gwieździe HAT-P-18. Nazywa się to zlokalizowanym zdarzeniem krzyżowym, a jego efekt był ewidentny w danych zebranych na potrzeby nowego badania. Zespół iREx poinformował także o obecności kilku innych plam gwiazdowych na powierzchni HAT-P-18, które nie zostały przesłonięte przez egzoplanetę.

Aby dokładnie określić skład atmosfery egzoplanety, badacze musieli jednocześnie modelować atmosferę planety oraz właściwości jej gwiazdy. W swoim badaniu zwracają uwagę, że takie rozważenie będzie miało kluczowe znaczenie przy uwzględnianiu przyszłych obserwacji egzoplanet Webba, aby w pełni wykorzystać ich potencjał.

„Odkryliśmy, że skażenie gwiazdowe oznacza plamy i chmury zamiast mgły oraz odzyskiwanie obfitości pary wodnej w mniej więcej mniejszym tempie” – powiedziała główna autorka Marilou Fournier-Tondreau.

„Zatem patrzenie na gwiazdę macierzystą układu robi dużą różnicę” – dodał Fournier Tondreau, który wykonywał tę pracę jako student studiów magisterskich w iREx, a obecnie robi doktorat. w Oxford University.

„To właściwie pierwszy raz, kiedy wyraźnie oddzieliliśmy mgłę od plam gwiazdowych dzięki instrumentowi NIRISS (Near-Infrared Imager and Non-Slit Spectrograph) w Kanadzie, który zapewnia szersze pokrycie długości fal obejmujące zakres światła widzialnego”.

Woda, dwutlenek węgla i chmury w płonącej atmosferze

Po wymodelowaniu egzoplanety i gwiazdy w układzie HAT-P-18 astronomowie iREx przeprowadzili mikrodysekcję składu atmosfery HAT-P-18 b. Badając światło filtrujące atmosferę egzoplanety przechodzącej przez gwiazdę macierzystą, naukowcy wykryli obecność pary wodnej (H2O) i dwutlenku węgla (CO2).

Naukowcy zbadali także możliwą obecność sodu i zaobserwowali silne oznaki powierzchni chmur w atmosferze HAT-P-18 b, które wydają się tłumić sygnały wielu znajdujących się w niej cząsteczek. Doszli także do wniosku, że powierzchnia gwiazdy pokryta jest wieloma ciemnymi plamami, które mogą znacząco wpłynąć na interpretację danych.

Poprzednia analiza tych samych danych z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba, przeprowadzona przez zespół z Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa, również ujawniła wyraźne wykrycie wody i dwutlenku węgla, ale także poinformowała o wykryciu małych cząstek znajdujących się na dużych wysokościach, zwanych aerozolami, i znalazła ślady metanu (CH4 ). Astronomowie iREx malują inny obraz.

Odkrycie CH4 nie zostało potwierdzone, a liczebność zidentyfikowanej przez nich wody była dziesięciokrotnie mniejsza niż wcześniej wykryto. Odkryli również, że odkrycie mgły w ramach poprzedniego badania może być spowodowane plamami gwiazdowymi na powierzchni gwiazdy, co podkreśla znaczenie uwzględnienia gwiazdy w analizie.

Czy na egzoplanecie może istnieć życie? Nieprawdopodobny. Podczas gdy cząsteczki takie jak woda, dwutlenek węgla i metan można interpretować jako biosygnatury, czyli oznaki życia, w pewnych proporcjach lub w połączeniu z innymi cząsteczkami, palące temperatury HAT-P-18 b są bliskie 600 stopni. Celsjusz Nie wróży to dobrze możliwości zamieszkania na planecie.

Przyszłe obserwacje z innego instrumentu Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba, spektrometru bliskiej podczerwieni (NIRSek), mogą pomóc w udoskonaleniu odkryć zespołu, takich jak odkrycie dwutlenku węgla, i rzucić więcej światła na złożoność tej gorącej egzoplanety Saturna .

Odniesienie: „Spektroskopia transmisyjna w bliskiej podczerwieni HAT-P-18 b z NIRISS: dekonstrukcja cech planetarnych i gwiazdowych w epoce JWST” autorstwa Marilou Fournier Tondreau, Ryan J. MacDonald, Michael Radica, David Lafrenière, Louis Wilbanks, Carolyn Piolette, Louis Philippe Coulombe, Romain Allart, Kim Morel, Etienne Artigao, Loic Albert, Olivia Lim, Rene Doyon, Björn Beneke, Jason F. Roux, Antoine Darvaux-Bernier, Nicholas B. Cowan, Nicole K. Lewis, Neil James Cook, Laura Flagg, Frédéric Genest, Stephane Pelletier, Doug Johnston, Lisa Dang, Lisa Kaltenegger, Jake Taylor i Jake D. Turner, 9 grudnia 2023 r., Miesięczne powiadomienia Królewskiego Towarzystwa Astronomicznego.
doi: 10.1093/manras/stad3813