Methaangas inademen op een verre wereld

NASA‘S James Webb-ruimtetelescoop Er is methaan aangetroffen in de atmosfeer Exoplaneet WASP-80 b, een mijlpaal in de verkenning van de ruimte. De ontdekking, bevestigd door geavanceerde lichtanalysemethoden, werpt licht op de samenstelling van de planeet en maakt vergelijkingen met planeten in ons zonnestelsel mogelijk.

NASA’s James Webb Ruimtetelescoop observeerde de exoplaneet WASP-80 b terwijl deze voor en achter zijn moederster passeerde, waarbij spectra werden onthuld die wijzen op de aanwezigheid van een atmosfeer die methaan en waterdamp bevat. Hoewel tot nu toe op meer dan een dozijn planeten waterdamp is gedetecteerd, was methaan, een molecuul dat overvloedig aanwezig was in de atmosfeer van de planeet, dat pas onlangs het geval. Jupiter, Saturnus, UranusEn Neptunus Binnen ons zonnestelsel bleven ze ongrijpbaar in de atmosfeer van passerende exoplaneten toen ze werden bestudeerd met behulp van ruimtespectroscopie.

Taylor Bell van het Bay Area Environmental Research Institute (BAERI), gevestigd in het Ames Research Center van NASA in Silicon Valley, Californië, en Lewis Wilbanks van de Arizona State University, vertellen ons meer over het belang van het detecteren van methaan in de buitenste atmosfeer van exoplaneten, en bespreek hoe het observaties heeft vergemakkelijkt. Web Het detecteren van methaan in de atmosfeer van exoplaneten. Identificatie van dit langverwachte molecuul. Deze resultaten zijn onlangs gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature.

Inzicht in “Warme Jupiter” WASP-80 B

“Met een temperatuur van ongeveer 825 K (ongeveer 1025 graden F), WASP-80 b is wat wetenschappers ‘warme Jupiters’ noemen, planeten die qua grootte en massa vergelijkbaar zijn met Jupiter in ons zonnestelsel, maar waarvan de temperatuur tussen die van hete Jupiters ligt, zoals 1.450 graden Celsius. K (2150 °F) HD 209458 b (de eerste exoplaneet die werd ontdekt), en koude Jupiters, zoals de onze, hebben een temperatuur van ongeveer 125 K (235 °F). °F). WASP-80 b draait eens in de drie dagen rond zijn rode dwergster en bevindt zich op 163 lichtjaar afstand van ons in het sterrenbeeld Gier. Omdat de planeet zo dicht bij zijn ster staat en beide zo ver van ons verwijderd zijn, kunnen we de planeet zelfs met de meest geavanceerde telescopen zoals Webb niet rechtstreeks zien. In plaats daarvan bestuderen onderzoekers het gecombineerde licht van de ster en de planeet met behulp van de transitmethode (die is gebruikt om de meeste bekende exoplaneten te ontdekken) en de eclipsmethode.

Innovatieve monitoringtechnologieën

Met behulp van de transitmethode hebben we het systeem geobserveerd toen de planeet vanuit ons perspectief voor zijn ster bewoog, waardoor het sterlicht dat we zien iets zwakker werd. Het is alsof iemand langs de lamp loopt en het licht dimt. Gedurende deze tijd verlicht de ster een dunne ring van de atmosfeer van de planeet rond de dag-nachtgrens van de planeet, en bij bepaalde lichtkleuren waar moleculen in de atmosfeer van de planeet het licht absorberen, lijkt de atmosfeer dikker en blokkeert meer sterrenlicht. Dit veroorzaakt een diepere opaciteit in vergelijking met andere golflengten waarbij de atmosfeer transparant lijkt. Deze methode helpt wetenschappers zoals wij de componenten van de atmosfeer van een planeet te begrijpen door te zien welke kleuren licht verduisterd zijn.

Ondertussen observeerden we met behulp van de eclipsmethode het systeem terwijl de planeet vanuit ons perspectief achter zijn ster langs trok, wat opnieuw een lichte afname veroorzaakte van het totale licht dat we ontvingen. Alle objecten zenden wat licht uit, genaamd thermische straling, en de intensiteit en kleur van het uitgestraalde licht hangt af van hoe heet het object is. Vlak voor en na de zonsverduistering is de hete dagzijde van de planeet naar ons gericht, en door de lichtdip tijdens de zonsverduistering te meten, konden we het infraroodlicht meten dat van de planeet afkomstig was. Voor eclipsspectra verschijnt absorptie door moleculen in de atmosfeer van een planeet doorgaans als een afname van het licht dat door de planeet wordt uitgezonden op specifieke golflengten. Omdat de planeet veel kleiner en koeler is dan zijn gastster, is de diepte van de eclips ook veel kleiner dan de diepte van de transit.

Gemeten transitspectrum (boven) en eclipsspectrum (onder) van WASP-80 b vanuit NIRCam’s spleetloze spectroscopiemodus op NASA’s James Webb Space Telescope. In beide spectra is er duidelijk bewijs van absorptie uit water en methaan, waarvan de bijdragen worden aangegeven door gekleurde lijnen. Tijdens een transit passeert de planeet vóór de ster, en in het transitspectrum zorgt de aanwezigheid van deeltjes ervoor dat de atmosfeer van de planeet meer licht blokkeert bij bepaalde kleuren, waardoor bij die golflengten een diepere dimming ontstaat. Tijdens een eclips passeert de planeet achter de ster, en in dit eclipsspectrum absorberen deeltjes een deel van het licht dat door de planeet in specifieke kleuren wordt uitgezonden, wat resulteert in een kleinere daling van de helderheid tijdens een eclips dan tijdens een transit. Afbeelding tegoed: PAYRI/NASA/Taylor Bell

Spectrale gegevensanalyse

Onze eerste waarnemingen moesten worden omgezet in iets dat we een spectrum noemen; Dit is in feite een meting die laat zien hoeveel licht wordt geblokkeerd of uitgezonden door de atmosfeer van een planeet met verschillende kleuren (of golflengten) licht. Er bestaan ​​veel verschillende hulpmiddelen voor het omzetten van ruwe waarnemingen in bruikbare spectra, dus hebben we twee verschillende methoden gebruikt om ervoor te zorgen dat onze resultaten robuust waren voor verschillende aannames. Vervolgens hebben we dit spectrum geïnterpreteerd met behulp van twee soorten modellen om te simuleren hoe de atmosfeer van de planeet er onder deze extreme omstandigheden uit zou zien. Het eerste type model is behoorlijk flexibel en experimenteert met miljoenen combinaties van methaan, wateraantallen en temperaturen om de combinatie te vinden die het beste overeenkomt met onze gegevens. Het tweede type, ‘zelfconsistente modellen’ genoemd, onderzoekt ook miljoenen combinaties, maar gebruikt onze bestaande kennis van natuurkunde en scheikunde om de te verwachten niveaus van methaan en water te bepalen. Beide typen modellen komen tot dezelfde conclusie: uiteindelijke detectie van methaan.

Om onze bevindingen te valideren, hebben we robuuste statistische methoden gebruikt om de waarschijnlijkheid te evalueren dat onze bevinding willekeurige ruis was. In ons vakgebied beschouwen we de ‘gouden standaard’ als de zogenaamde ‘5 sigma-detectie’, wat betekent dat de kans op detectie als gevolg van willekeurige ruis 1 op 1,7 miljoen bedraagt. Tegelijkertijd ontdekten we methaan met een concentratie van 6,1 sigma in zowel het transit- als het eclipsspectrum, waardoor de kans op een valse ontdekking bij elke waarneming op 1 op 942 miljoen werd gesteld, waardoor de ‘gouden standaard’ van 5 sigma werd overschreden en ons vertrouwen in de toekomst werd vergroot. beide. Ontdekkingen.

Implicaties voor methaandetectie

Met deze zelfverzekerde ontdekking hebben we niet alleen een ongrijpbaar molecuul gevonden, maar kunnen we nu beginnen te onderzoeken wat deze chemische structuur ons vertelt over de geboorte, groei en evolutie van de planeet. Door bijvoorbeeld de hoeveelheid methaan en water op de planeet te meten, kunnen we de verhouding tussen koolstofatomen en zuurstofatomen afleiden. Deze verhouding zal naar verwachting veranderen afhankelijk van waar en wanneer planeten in hun systeem ontstaan. Onderzoek naar de koolstof-zuurstofverhouding kan dus aanwijzingen opleveren over de vraag of de planeet zich dichtbij of ver weg van zijn ster heeft gevormd voordat hij geleidelijk naar binnen bewoog.

Iets anders dat ons enthousiast maakte over deze ontdekking was de mogelijkheid om eindelijk planeten buiten ons zonnestelsel te vergelijken met planeten erin. NASA heeft een geschiedenis van het sturen van ruimtevaartuigen naar de gasreuzen van ons zonnestelsel om de hoeveelheid methaan en andere moleculen in hun atmosfeer te meten. Door hetzelfde gas in een exoplaneet te meten, kunnen we nu een ‘appels-met-appels’-vergelijking maken en kijken of de voorspellingen van het zonnestelsel overeenkomen met wat we daarbuiten zien.

Toekomstperspectieven met de James Webb Space Telescope

Tenslotte, terwijl we uitkijken naar toekomstige ontdekkingen met Webb, laat dit resultaat ons zien dat we aan de vooravond staan ​​van nog spannendere ontdekkingen. Aanvullende MIRI- en NIRCam-waarnemingen van WASP-80 b met behulp van Webb zullen ons in staat stellen de eigenschappen van de atmosfeer bij verschillende golflengten van licht te onderzoeken. Onze bevindingen doen ons geloven dat we andere koolstofrijke moleculen zoals koolmonoxide en kooldioxide kunnen monitoren, waardoor we een uitgebreider beeld kunnen schetsen van de omstandigheden in de atmosfeer van deze planeet.

Als we methaan en andere gassen op exoplaneten vinden, zullen we bovendien onze kennis blijven uitbreiden over hoe scheikunde en natuurkunde werken onder omstandigheden die verschillen van die op aarde en, misschien binnenkort, op andere planeten die doen denken aan wat we hier hebben. thuis. Eén ding is duidelijk: een ontdekkingsreis met de James Webb Space Telescope zit vol potentiële verrassingen.

Referentie: “Methaan in de atmosfeer van de warme exoplaneet WASP-80b” door Taylor J. Bell, Lewis Wilbanks, Everett Schloein, Michael R. Lane, Jonathan J. Fortney, Thomas B. Green, Kazumasa Ono, Vivian Parmentier, Emily Rauscher , Thomas J. . Beattie, Sajnik Mukherjee, Lindsay S. Weiser, Martha L. Boyer, Marcia J. Ricky en John A. Stansbury, 22 november 2023, natuur.
doi: 10.1038/s41586-023-06687-0

Over de Auteurs:

• Taylor Bell is een postdoctoraal onderzoeker bij het Bay Area Environmental Research Institute (BAERI), werkzaam bij het NASA Ames Research Center in Silicon Valley, Californië.
• Lewis Wilbanks is een NASA Hubble Fellow aan de Arizona State University in Tempe, Arizona.