Nowa metoda badania atmosfer egzoplanet

Artystyczna wizja egzoplanety Tau Boötis b
Wizja artystyczna pokazuje egzoplanetę Tau Boötis b. Jest to jedna z pierwszych odkrytych planet pozasłonecznych (odkrycie w 1996 roku) i do tej pory jest jednym z najbliższych znanych systemów planetarnych. Astronomowie korzystający z Bardzo Dużego Teleskopu (VLT), należącego do ESO, po raz pierwszy zarejestrowali i zbadali słabe światło od planety Tau Boötis b. Dzięki zastosowaniu sprytnego triku obserwacyjnego zespół odkrył, że atmosfera planety prawdopodobnie ochładza się wraz z wysokości, co jest przeciwieństwem oczekiwań.
ESO/L. Calçada

Nowa technika pozwoliła astronomom po raz pierwszy szczegółowo zbadać atmosferę planety pozasłonecznej – i to pomimo tego, że planeta nie przeszła przed swoją gwiazdą. Międzynarodowy zespół wykorzystał Bardzo Duży Teleskop (VLT), należący do ESO, do bezpośredniego zaobserwowania słabej poświaty od planety Tau Boötis b. Naukowcy zbadali atmosferę planety i dokładnie zmierzyli jej orbitę oraz masę – w ramach rozwiązywania istniejącej od 15 lat zagadki. Nieoczekiwanie zespół odkrył także, że atmosfera planety wydaje się być chłodniejsza w wyższych warstwach, co jest wnioskiem przeciwnym do oczekiwanego. Wyniki zostały opublikowane w czasopiśmie „Nature” w wydaniu z 28 czerwca 2012 roku.

Tau Boötis b [1] była jedną z pierwszych egzoplanet, odkryto ją w 1996 roku i do tej pory jest jednym z najbliższych znanych układów planetarnych. Mimo, że jej gwiazda macierzysta jest dobrze widoczna gołym okiem, sama planeta już nie i do tej pory można ją było wykryć jedynie dzięki efektowi grawitacyjnemu - wzajemnemu przyciąganiu planety i gwiazdy. Tau Boötis b to duży “gorący jowisz” – planeta krążąca bardzo blisko swojej gwiazdy.

Podobnie jak większość egzoplanet, Tau Boötis b nie tranzytuje przed dyskiem swoje gwiazdy (porównaj niedawny tranzyt Wenus). Do tej pory tego typu tranzyty były kluczowe dla badań atmosfer gorących jowiszów: gdy planeta przechodzi przed swoją gwiazdą, umieszcza w świetle gwiazdy odciski własności swojej atmosfery. Ponieważ światło gwiazdy nie świecie przez atmosferę Tau Boötis b w naszym kierunku, oznacza to, że jej atmosfera nie mogła zostać wcześniej zbadana.

Ale teraz, po 15 latach prób badań słabej poświaty emitowanej przez gorące jowisze, astronomom udało się w końcu w wiarygodny sposób zbadać strukturę atmosfery Tau Boötis b i po raz pierwszy wyliczyć jej dokładną masę. Zespół użył instrumentu CRIRES [2] na Bardzo Dużym Teleskopie (VLT) w Obserwatorium ESO Paranal w Chile. Naukowcy połączyli wysokiej jakości obserwacje podczerwone (na falach o długości około 2,3 mikrometra) [3] ze sprytnym, nowym trikiem, aby wyłuskać słaby sygnał od planety spośród znacznie silniejszych sygnałów od gwiazdy macierzystej [4].

Główny autor badań, Matteo Brogi (Leiden Observatory, Holandia) wyjaśnia: „Dzięki obserwacjom wysokiej jakości, 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, a reszta od gwiazdy, nie było to więc proste”.

Większość planet wokół innych gwiazd została odkryta dzięki ich grawitacyjnemu wpływowi na gwiazdy macierzyste, co ogranicza informacje, które mogą zostać zdobyte odnośnie ich masy: można jedynie ustalić dolny limit na masę planety [5]. Nowa technika, wprowadzona w prezentowanych badaniach, ma znacznie większe możliwości. Bezpośrednie dostrzeżenie światła planety pozwoliło astronomom na zmierzenia kąta nachylenia orbity planet i dzięki temu na precyzyjne ustalenie masy obiektu. Śledząc zmiany w ruchu planet po orbicie wokół gwiazdy zespół mógł po raz pierwszy ustalić wiarygodnie, że Tau Boötis b okrąża swoją gwiazdę pod kątem 44 stopni i ma masę sześć razy większą niż masa Jowisza w naszym Układzie Słonecznym.

„Nowe obserwacje VLT rozwiązują istniejący od 15 lat problem związany z masą Tau Boötis b. Nowa technika oznacza także, że będziemy mogli badań atmosfery egzoplanet, które nie tranzytują przed swoimi gwiazdami, jak również dokładnie wyznaczać ich masy, co nie było wcześniej możliwe” mówi Ignas Snellen (Leiden Observatory, Holandia), współautor publikacji. „To duży krok naprzód.”

Oprócz wykrycia poświaty od atmosfery i wyznaczenia masy Tau Boötis b, zespół zbadał atmosferę planety i określił ilość występującego w niej tlenku węgla, a także temperaturę na różnych wysokościach, poprzez porównanie obserwacji z modelami teoretycznymi. Zaskakującym wynikiem tej pracy było to, że nowe obserwacje wskazują na istnienie atmosfery o temperaturze spadającej wraz z wysokością. Jest to dokładne przeciwieństwo inwersji temperatury – wzrostu temperatury z wysokością – znanego w przypadku innych gorących jowiszów [6] [7].

Obserwacje VLT pokazują, że spektroskopia w wysokiej rozdzielczości z naziemnych teleskopów jest cennym narzędziem dla szczegółowych badań atmosfer planet nietranzytujących. Wykrycie różnych cząsteczek pozwoli astronomom w przyszłości dowiedzieć się więcej o warunkach atmosferycznych planet. Mierząc je wzdłuż orbity planety, astronomowie mogą nawet być w stanie śledzić zmiany atmosferyczne pomiędzy porankami i wieczorami.

„Badania te pokazują niesamowity potencjał obecnych i przyszłych teleskopów naziemnych, takich jak E-ELT. Być może pewnego dnia odnajdziemy w ten sposób nawet dowody na aktywność biologiczną na ziemiopodobnej planecie” konkluduje Ignas Snellen.

Uwagi

[1] Nazwa planety, Tau Boötis b, składa się z nazwy gwiazdy (Tau Boötis, lub τ Bootis, τ jest  grecką literą “tau”, a nie literą “t” ) oraz z litery “b” oznaczającej, że mamy do czynienia z pierwszą planetą odkrytą wokół tej gwiazdy. Oznaczenie Tau Boötis a stosowane jest do samej gwiazdy.

[2] CRyogenic InfraRed Echelle Spectrometer

[3] Na falach podczerwonych gwiazda macierzysta emituje mniej promieniowania niż w zakresie optycznym, jest to więc przedział korzystny do wydzielenia przyćmionego sygnału planety.

[4] Metoda wykorzystuje prędkość planety na orbicie wokół gwiazdy do rozróżnienia jej promieniowania od promieniowania gwiazdy, a także od elementów pochodzących od ziemskiej atmosfery. Ten sam zespół astronomów przetestował wcześniej technikę na planecie tranzytującej, mierząc jej prędkość orbitalną podczas przejścia planety przed dyskiem gwiazdy.

[5] Powodem jest to, że nachylenie orbity zwykle jest nieznane. Jeżeli orbita planety jest nachylona względem linii widzenia pomiędzy Ziemią, a gwiazdą, wtedy bardziej masywna planeta powoduje taki sam obserwowany ruch gwiazdy do przodu i do tyłu, jak lżejsza o mniej nachylonej orbicie. Nie ma możliwości rozdzielenia tych dwóch efektów.

[6] Uważa się, że inwersje termiczne charakteryzują się strukturami molekularnymi w widmie emisyjnym, a nie absorpcyjnym, zgodnie z interpretacją obserwacji fotometrycznych gorących jowiszów za pomocą Kosmicznego Teleskopu Spitzera. Egzoplaneta HD209458b to najlepiej zbadany przykład inwersji termicznych w atmosferach planet pozasłonecznych.

[7] Obserwacje te są zgodne z modelami, w których silna emisja ultrafioletowa powiązana z aktywnością chromosferyczną – podobnie jak w przypadku gwiazdy macierzystej dla Tau Boötis b – jest odpowiedzialna za hamowanie inwersji termicznej.


"Orion" poprosil dra Gracjana Maciejewskiego z CA UMK o wytłumaczenie tego nowego odkrycia.

Źródło: ESO | Tłumaczenie: Krzysztof Czart




Liczba odsłon: 1336