Het ontrafelen van de geheimen van ‘hete Saturnus’ en zijn gespikkelde ster

Astronomen gebruikten de James Webb-ruimtetelescoop om de galactische atmosfeer te bestuderen Exoplaneet HAT-P-18 b, vindt waterdamp en koolstofdioxide met de nadruk op de invloed van de eigenschappen van de gastster op data-analyse.

Onder leiding van onderzoekers van het Trottier Institute for Exoplanet Research (iREx) van de Université de Montréal heeft een team van astronomen de kracht van de revolutionaire James Webb Space Telescope (JWST) benut om ‘hete planeten’ te bestuderen. Saturnus“Exoplaneet HAT-P-18 b.

Hun bevindingen werden vorige maand gepubliceerd in het tijdschrift Maandelijkse mededelingen van de Royal Astronomical Societyschets een compleet beeld van de atmosfeer van HAT-P-18 b en onderzoek tegelijkertijd de grote uitdaging om atmosferische signalen te onderscheiden van de activiteit van zijn ster.

HAT-P-18 b bevindt zich op meer dan 500 lichtjaar afstand, met een massa die vergelijkbaar is met die van Saturnus, maar een omvang die dichter bij die van de grotere planeet ligt. Jupiter. Als gevolg hiervan heeft de exoplaneet een ‘gezwollen’ atmosfeer die bijzonder ideaal is voor analyse.

Artistieke weergave van de exoplaneet “hete Saturnus”, HAT-P-18 b. Krediet: NASA/Eyes on Exoplanets

We passeren een gespikkelde ster

De waarnemingen zijn gedaan met behulp van de James Webb Ruimtetelescoop toen HAT-P-18 b voor zijn zonachtige ster langs trok. Dit moment wordt een transit genoemd en is essentieel voor het met verbazingwekkende precisie detecteren en karakteriseren van een exoplaneet op honderden lichtjaren afstand.

Astronomen observeren niet rechtstreeks het licht dat door de verre planeet wordt uitgezonden. In plaats daarvan bestuderen ze hoe het licht van de centrale ster wordt geblokkeerd en beïnvloed door de planeet die eromheen draait, en moeten ze dus proberen signalen die voortkomen uit de aanwezigheid van de planeet te scheiden van signalen die voortkomen uit de eigenschappen van de ster zelf.

De lichtcurve toont de helderheid of helderheid van een ster in de loop van de tijd. Wanneer een exoplaneet over de ster beweegt, ook wel transit genoemd, wordt een deel van het licht van de ster geblokkeerd door de exoplaneet. Als gevolg hiervan neemt de helderheid van de ster af. Wanneer een stervlek het oppervlak van de ster bedekt, of wanneer een exoplaneet de donkere vlek passeert, kunnen astronomen een signaal in de lichtcurve zien in de vorm van een kleine bult aan de onderkant van de passerende lichtcurve. Bekijk hieronder de volledige animatie van deze grafiek. Bron: B. Gougeon/Université de Montréal

Net als onze zon hebben sterren geen uniforme oppervlakken. Het kan donkere sterrenvlekken en heldere gebieden bevatten, die signalen kunnen genereren die kenmerken van de atmosfeer van de planeet nabootsen. Een recent onderzoek naar de exoplaneet TRAPPIST-1 b en zijn ster TRAPPIST-1, geleid door UdeM-doctoraatsstudent Olivia Lim, was getuige van een explosie of uitbarsting op het oppervlak van de ster, wat de waarnemingen beïnvloedde.

In het geval van HAT-P-18 b kon Webb de exoplaneet vastleggen terwijl deze over een donkere vlek op zijn ster HAT-P-18 passeerde. Dit wordt een gelokaliseerde crossover-gebeurtenis genoemd en het effect ervan was duidelijk zichtbaar in de gegevens die voor het nieuwe onderzoek werden verzameld. Het iREx-team rapporteerde ook de aanwezigheid van verschillende andere sterrenvlekken op het oppervlak van HAT-P-18 die niet door de exoplaneet werden verduisterd.

Om de atmosferische samenstelling van de exoplaneet nauwkeurig te bepalen, moesten onderzoekers tegelijkertijd de atmosfeer van de planeet en de eigenschappen van zijn ster modelleren. Ze wijzen er in hun onderzoek op dat een dergelijke overweging cruciaal zal zijn bij het aanpakken van toekomstige Webb-exoplaneetobservaties om het potentieel ervan volledig te benutten.

“We ontdekten dat het verklaren van sterbesmetting vlekken en wolken betekent in plaats van nevel, en dat de overvloed aan waterdamp in ongeveer een lager tempo wordt hersteld”, zegt hoofdauteur Marilou Fournier-Tondreau.

“Dus kijken naar de gastster van het systeem maakt een groot verschil”, zegt Fournier Tondreau, die dit werk deed als masterstudent bij iREx en nu promoveert. In de Oxford universiteit.

“Dit is eigenlijk de eerste keer dat we waas duidelijk van sterrenvlekken hebben gescheiden, dankzij het NIRISS-instrument (Near-Infrared Imager and Non-Slit Spectrograph) in Canada, dat een bredere golflengtedekking biedt die zich uitstrekt tot in het bereik van zichtbaar licht.”

Water, kooldioxide en wolken in een brandende atmosfeer

Na het modelleren van de exoplaneet en de ster in het HAT-P-18-systeem voerden iREx-astronomen een microdissectie uit van de samenstelling van de atmosfeer van HAT-P-18 b. Door het licht te onderzoeken dat door de atmosfeer van de exoplaneet filtert terwijl deze zijn gastster passeert, ontdekten de onderzoekers de aanwezigheid van waterdamp (H2O) en koolstofdioxide (CO2).

De onderzoekers onderzochten ook de mogelijke aanwezigheid van natrium en observeerden sterke tekenen van een wolkoppervlak in de atmosfeer van HAT-P-18 b, dat de signalen van veel moleculen daarin lijkt te dempen. Ze concludeerden ook dat het oppervlak van de ster bedekt was met veel donkere vlekken die de interpretatie van de gegevens aanzienlijk konden beïnvloeden.

Een eerdere analyse van dezelfde James Webb Space Telescope-gegevens onder leiding van een team van de Johns Hopkins University onthulde ook de duidelijke detectie van water en koolstofdioxide, maar rapporteerde ook de detectie van kleine deeltjes op grote hoogte, aërosolen genaamd, en vond hints van methaan (CH4 ). iREx-astronomen schetsen een ander beeld.

De ontdekking van CH4 is nog niet bevestigd en de hoeveelheid water die ze identificeerden was tien keer lager dan eerder werd gedetecteerd. Ze ontdekten ook dat de ontdekking van de waas in het vorige onderzoek veroorzaakt zou kunnen worden door stervlekken op het oppervlak van de ster, wat het belang benadrukt om bij de analyse rekening te houden met de ster.

Kan een exoplaneet leven ondersteunen? Onwaarschijnlijk. Hoewel moleculen zoals water, kooldioxide en methaan kunnen worden geïnterpreteerd als biosignaturen of tekenen van leven, in bepaalde verhoudingen of in combinatie met andere moleculen, liggen de verzengende temperaturen van HAT-P-18 b bijna 600 graden. Celsius Het belooft niet veel goeds voor de bewoonbaarheid van de planeet.

Toekomstige waarnemingen van een ander instrument van de James Webb Space Telescope, de Near-Infrared Spectrometer (NIRSpec), beloven de bevindingen van het team te helpen verbeteren, zoals de ontdekking van koolstofdioxide, en meer licht te werpen op de complexiteit van deze hete exoplaneet Saturnus. .

Referentie: “Nabij-infrarood transmissiespectroscopie van HAT-P-18 b met NIRISS: deconstructie van planetaire en stellaire kenmerken in het JWST-tijdperk” door 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 en Jake D. Turner, 9 december 2023, Maandelijkse mededelingen van de Royal Astronomical Society.
doi: 10.1093/manras/stad3813