Enthüllen Sie die Geheimnisse des „heißen Saturn“ und seines gesprenkelten Sterns

Astronomen nutzten das James-Webb-Weltraumteleskop, um die galaktische Atmosphäre zu untersuchen Exoplanet HAT-P-18 b findet Wasserdampf und Kohlendioxid mit Schwerpunkt auf dem 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-Weltraumteleskops (JWST) genutzt, um „heiße Planeten“ 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, atmosphärische Signale von der Aktivität seines Sterns zu unterscheiden.

HAT-P-18 b ist mehr als 500 Lichtjahre entfernt und hat eine ähnliche Masse wie Saturn, aber eine Größe, die näher an der des größeren Planeten liegt. der Jupiter. Dadurch verfügt der Exoplanet über eine „aufgeblasene“ Atmosphäre, die sich besonders gut für die Analyse eignet.

Künstlerische Darstellung des Exoplaneten „Hot Saturn“, HAT-P-18 b. Bildnachweis: NASA/Eyes on Exoplanets

Über einen gesprenkelten Stern hinweggehen

Die Beobachtungen wurden mit dem James-Webb-Weltraumteleskop gemacht, als HAT-P-18 b vor seinem sonnenähnlichen Stern vorbeizog. Dieser Moment wird Transit genannt und ist für die Entdeckung und Charakterisierung eines Hunderte Lichtjahre entfernten Exoplaneten mit erstaunlicher Präzision unerlässlich.

Astronomen beobachten das vom fernen Planeten emittierte Licht nicht direkt. Stattdessen untersuchen sie, wie das Licht des Zentralsterns durch den ihn umkreisenden Planeten blockiert und beeinflusst wird, und müssen daher versuchen, Signale, die aus der Anwesenheit des Planeten resultieren, von denen zu trennen, die aus den Eigenschaften des Sterns selbst resultieren.

Die Lichtkurve zeigt die Helligkeit bzw. Helligkeit eines Sterns im Zeitverlauf. Wenn ein Exoplanet den Stern überquert, 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 die Oberfläche des Sterns verdeckt oder wenn ein Exoplanet den dunklen Fleck passiert, können Astronomen ein Signal in der Lichtkurve in Form einer kleinen Erhebung am unteren Ende der vorbeiziehenden Lichtkurve erkennen. Sehen Sie sich unten die vollständige Animation dieses Diagramms an. Quelle: B. Gougeon/Universität Montréal

Sterne haben, genau wie unsere Sonne, keine einheitliche Oberfläche. Es kann dunkle Sternflecken und helle Regionen enthalten, die Signale erzeugen können, die Merkmale der Atmosphäre des Planeten nachahmen. Bei einer aktuellen Studie des Exoplaneten TRAPPIST-1 b und seines Sterns TRAPPIST-1 unter der Leitung der UdeM-Doktorandin Olivia Lim wurde eine Explosion oder ein Flare auf der Oberfläche des Sterns beobachtet, die die Beobachtungen beeinträchtigte.

Im Fall von HAT-P-18 b konnte Webb den Exoplaneten einfangen, als er über einen dunklen Fleck auf seinem Stern HAT-P-18 flog. Dies wird als lokalisiertes Crossover-Ereignis bezeichnet und seine Auswirkung wurde in den für die neue Studie gesammelten Daten deutlich. Das iREx-Team berichtete außerdem über das Vorhandensein mehrerer 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 Eigenschaften seines Sterns modellieren. Sie weisen in ihrer Studie darauf hin, dass eine solche Überlegung von entscheidender Bedeutung für zukünftige Beobachtungen des Webb-Exoplaneten sein wird, um sein Potenzial voll auszuschöpfen.

„Wir haben herausgefunden, dass die Berücksichtigung der Sternkontamination Flecken und Wolken anstelle von Dunst bedeutet und die Wasserdampfhäufigkeit in etwa geringerer Geschwindigkeit wiederhergestellt wird“, sagte Hauptautorin Marilou Fournier-Tondreau.

„Der Blick auf den Wirtsstern des Systems macht also einen großen Unterschied“, fügte Fournier Tondreau hinzu, der diese Arbeit als Masterstudent bei iREx gemacht hat und jetzt einen Doktortitel anstrebt. Im Universität Oxford.

„Dies ist tatsächlich das erste Mal, dass wir Dunst klar von Sternflecken getrennt haben, dank des NIRISS-Instruments (Near-Infrared Imager and Non-Slit Spectrograph) in Kanada, das eine breitere Wellenlängenabdeckung bis in den Bereich des sichtbaren Lichts bietet.“

Wasser, Kohlendioxid und Wolken in einer brennenden Atmosphäre

Nach der Modellierung des Exoplaneten und Sterns im HAT-P-18-System führten iREx-Astronomen eine Mikrodissektion der Zusammensetzung der Atmosphäre von HAT-P-18 b durch. Durch die Untersuchung des Lichts, das durch die Atmosphäre des Exoplaneten gefiltert wird, während er seinen Wirtsstern passiert, stellten die Forscher das Vorhandensein von Wasserdampf (H2O) und Kohlendioxid (CO2) fest.

Die Forscher untersuchten auch das mögliche Vorhandensein von Natrium und beobachteten deutliche Anzeichen einer Wolkenoberfläche in der Atmosphäre von HAT-P-18 b, die die Signale vieler darin enthaltener Moleküle zu dämpfen scheint. Sie kamen auch zu dem Schluss, dass die Oberfläche des Sterns mit vielen dunklen Flecken bedeckt war, die die Interpretation der Daten erheblich beeinträchtigen könnten.

Eine frühere Analyse derselben Daten des James Webb-Weltraumteleskops unter der Leitung eines Teams der Johns Hopkins University ergab ebenfalls den eindeutigen Nachweis von Wasser und Kohlendioxid, berichtete aber auch über den Nachweis kleiner Partikel in großer Höhe, sogenannte Aerosole, und fand Hinweise auf Methan (CH4). ). iREx-Astronomen zeichnen ein anderes Bild.

Die Entdeckung von CH4 wurde nicht bestätigt und die Menge des von ihnen identifizierten Wassers war zehnmal geringer als zuvor festgestellt. Sie fanden auch heraus, dass die Entdeckung des Dunsts in der vorherigen Studie durch Sternflecken auf der Oberfläche des Sterns verursacht werden könnte, was die Bedeutung der Berücksichtigung des Sterns bei der Analyse unterstreicht.

Kann ein Exoplanet Leben ermöglichen? Unwahrscheinlich. Während Moleküle wie Wasser, Kohlendioxid und Methan in bestimmten Anteilen oder in Kombination mit anderen Molekülen als Biosignaturen oder Lebenszeichen interpretiert werden können, liegen die sengenden Temperaturen von HAT-P-18 b bei fast 600 Grad. Celsius Es verheißt nichts Gutes für die Bewohnbarkeit des Planeten.

Zukünftige Beobachtungen mit einem anderen Instrument des James-Webb-Weltraumteleskops, dem Nahinfrarotspektrometer (NIRSpec), versprechen, die Ergebnisse des Teams zu verbessern, beispielsweise die Entdeckung von Kohlendioxid, und mehr Licht auf die Komplexität dieses heißen Exoplaneten des Saturn zu werfen .

Referenz: „Nahinfrarot-Transmissionsspektroskopie von HAT-P-18 b mit NIRISS: Dekonstruierung planetarischer und stellarer Merkmale in der JWST-Ära“ von 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 und Jake D. Turner, 9. Dezember 2023, Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society.
doi: 10.1093/manras/stad3813