Nowa metoda badania atmosfer egzoplanet

Nowa metoda badania atmosfer egzoplanetOriginal Press Release
Dzięki nowej sprytnej metodzie udało się po raz pierwszy szczegółowo zbadać atmosferę ezgoplanety – mimo, że planeta ta nie przechodzi przed tarczą gwiazdy macierzystej.

Dzięki wysokiej jakości obserwacjom dostarczonym przez VLT oraz CRIRES byliśmy w stanie zbadać widmo układu znacznie dokładniej niż było to możliwe do tej pory. Zaledwie około 0,01% światła, które widzimy, pochodzi od planety. Reszta pochodzi od gwiazdy, nie było to więc proste

Matteo Brogi
Obserwatorium Leiden w Holandii

Tau Boötis b była jedną z pierwszych egzoplanet, jakie odkryto i do tej pory jest jedną z najbliższych nam znanych. Choć gwiazda Tau Boötis jest dobrze widoczna gołym okiem, to niedotyczy to planety, którą dotąd można było wykryć jedynie dzięki oddziaływaniom grawitacyjnym planety na gwieździ. Tau Boötis b to tzw gorący jowisz – masywny gazowy olbrzym krążący bardzo blisko swojej gwiazdy.

Podobnie jak większość egzoplanet, również Tau Boötis b nie przechodzi przed dyskiem swoje gwiazdy. A to właśnie tranzyty były do tej pory kluczowe dla badań atmosfer gorących jowiszów. Bowiem gdy planeta przechodzi przed swoją gwiazdą, zapisuje w widmie światła gwiazdy chemiczny odcisk swojej atmosfery. Ponieważ nie możemy obserwować światła przechodzącego przez atmosferę Tau Boötis b, oznacza to, że jej atmosfera pozostawała dotąd poza zasięgiem instrumentów badawczych.

Wreszcie, po 15 latach prób zbadania słabej poświaty emitowanej przez gorące jowisze, astronomom udało się w końcu w wiarygodny sposób zbadać strukturę atmosfery Tau Boötis b jak również po raz pierwszy wyznaczyć jej dokładną masę. Zespół użył instrumentu CRIRES zainstalowanego na teleskopie VLT w Obserwatorium ESO Paranal w Chile. Naukowcy połączyli wysokiej jakości obserwacje podczerwone wykonane na falach o długości około 2,3 mikrometra ze sprytną nową techniką, aby oddzielić słaby sygnał światła planety od znacznie silniejszego sygnału gwiazdy macierzystej.

Większość planet wokół innych gwiazd została odkryta dzięki ich grawitacyjnemu wpływowi na gwiazdy macierzyste¹, jednak metoda ta dostarcza ograniczonych informacju, na temat ich masy: można jedynie ustalić jej dolny limit. Nowa technika, wprowadzona w prezentowanych badaniach, daje znacznie większe możliwości. Bezpośrednie dostrzeżenia światła planety pozwala astronomom zmierzyć kąt nachylenia jej orbity i dzięki temu na precyzyjne ustalenie masy. Śledząc zmiany w ruchu planety na orbicie zespół ustalił, że Tau Boötis b okrąża swoją gwiazdę pod kątem 44 stopni a jej masa jest sześć razy większa od Jowisza.

„Nowe obserwacje VLT rozwiązują mającą 15 lat zagadkę may Tau Boötis b. Nowa technika oznacza także, że będziemy mogli badań atmosfery egzoplanet, które nie tranzytują, jak również dokładnie wyznaczać ich masy, co dotąd nie było możliwe „- mówi Ignas Snellen, współautor publikacji.

Oprócz wykrycia światła atmosfery i wyznaczenia masy Tau Boötis b, zespół zbadał atmosferę egzoplanety i określił ilość występującego w niej tlenku węgla, a także – poprzez porównanie obserwacji z modelami teoretycznymi – jej temperaturę na różnych wysokościach. Nowe wyniki zaskoczyły naukowców bowiem wskazują na istnienie atmosfery o temperaturze malejącej wraz z wysokością, co jest dokładnym przeciwieństwem inwersji temperatury – wzrostu temperatury wraz z wysokością – obserwowaną w przypadku innych gorących jowiszów.

Źródła:

New Way of Probing Exoplanet Atmospheres

For the first time a clever new technique has allowed astronomers to study the atmosphere of an exoplanet in detail — even though it does not pass in front of its parent star. An international team has used ESO’s Very Large Telescope to directly catch the faint glow from the planet Tau Boötis b. They have studied the planet’s atmosphere and measured its orbit and mass precisely for the first time — in the process solving a 15-year old problem. Surprisingly, the team also finds that the planet’s atmosphere seems to be cooler higher up, the opposite of what was expected. The results will be published in the 28 June 2012 issue of the journal Nature.

The planet Tau Boötis b [1] was one of the first exoplanets to be discovered back in 1996, and it is still one of the closest exoplanets known. Although its parent star is easily visible with the naked eye, the planet itself certainly is not, and up to now it could only be detected by its gravitational effects on the star. Tau Boötis b is a large “hot Jupiter” planet orbiting very close to its parent star.

Like most exoplanets, this planet does not transit the disc of its star (like the recent transit of Venus). Up to now such transits were essential to allow the study of hot Jupiter atmospheres: when a planet passes in front of its star it imprints the properties of the atmosphere onto the starlight. As no starlight shines through Tau Boötis b’s atmosphere towards us, this means the planet’s atmosphere could not be studied before.

But now, after 15 years of attempting to study the faint glow that is emitted from hot Jupiter exoplanets, astronomers have finally succeeded in reliably probing the structure of the atmosphere of Tau Boötis b and deducing its mass accurately for the first time. The team used the CRIRES [2] instrument on the Very Large Telescope (VLT) at ESO’s Paranal Observatory in Chile. They combined high quality infrared observations (at wavelengths around 2.3 microns) [3] with a clever new trick to tease out the weak signal of the planet from the much stronger one from the parent star [4].

Lead author of the study Matteo Brogi (Leiden Observatory, the Netherlands) explains: “Thanks to the high quality observations provided by the VLT and CRIRES we were able to study the spectrum of the system in much more detail than has been possible before. Only about 0.01% of the light we see comes from the planet, and the rest from the star, so this was not easy”.

The majority of planets around other stars were discovered by their gravitational effects on their parent stars, which limits the information that can be gleaned about their mass: they only allow a lower limit to be calculated for a planet’s mass [5]. The new technique pioneered here is much more powerful. Seeing the planet’s light directly has allowed the astronomers to measure the angle of the planet’s orbit and hence work out its mass precisely. By tracing the changes in the planet’s motion as it orbits its star, the team has determined reliably for the first time that Tau Boötis b orbits its host star at an angle of 44 degrees and has a mass six times that of the planet Jupiter in our own Solar System.

“The new VLT observations solve the 15-year old problem of the mass of Tau Boötis b. And the new technique also means that we can now study the atmospheres of exoplanets that don’t transit their stars, as well as measuring their masses accurately, which was impossible before”, says Ignas Snellen (Leiden Observatory, the Netherlands), co-author of the paper. “This is a big step forward.”

As well as detecting the glow of the atmosphere and measuring Tau Boötis b’s mass, the team has probed its atmosphere and measured the amount of carbon monoxide present, as well as the temperature at different altitudes by means of a comparison between the observations and theoretical models. A surprising result from this work was that the new observations indicated an atmosphere with a temperature that falls higher up. This result is the exact opposite of the temperature inversion — an increase in temperature with height — found for other hot Jupiter exoplanets [6] [7].

The VLT observations show that high resolution spectroscopy from ground-based telescopes is a valuable tool for a detailed analysis of non-transiting exoplanets’ atmospheres. The detection of different molecules in future will allow astronomers to learn more about the planet’s atmospheric conditions. By making measurements along the planet’s orbit, astronomers may even be able to track atmospheric changes between the planet’s morning and evening.

„This study shows the enormous potential of current and future ground-based telescopes, such as the E-ELT. Maybe one day we may even find evidence for biological activity on Earth-like planets in this way”, concludes Ignas Snellen.

Written by admin

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *