I jagt efter eksoplaneter søger mange beboelige verdener. Der er trøst ved at opdage planeter, der minder os om hjem – dem i en perfekt afstand fra deres værtsstjerne, med oceaner med vand, der dækker deres overflader og åndbare atmosfærer.
Nogle astrofysikere er imidlertid nysgerrige efter en helt anden type eksoplanet: den forræderiske hot jupiter. En sådan videnskabsmand er Emily Deibert, en videnskabsstipendiat ved Gemini South i Chile, halvdelen af International Gemini Observatory, der drives af NSF Noirlab.
En ultra-hot jupiter ved navn HAT-P-70 B var i fokus for en nylig undersøgelse udført på Gemini South, ledet af Adam Langeveld, assisterende forsker ved Johns Hopkins University, med et team af astronomer inklusive Deibert.
Resultaterne af denne undersøgelse præsenteres i et papir, der vises i De astrofysiske tidsskriftsbreve.
Holdets undersøgelse anvendte et nyt instrument på Gemini South Telescope kaldet Gemini højopløsning optisk spektrograf (Ghost). Ghost er et kraftfuldt instrument, der har evnen til at observere en lang række bølgelængder samtidigt.
Det kan også gennemføre observationer med høj effektivitet, samtidig med at det opnår opløsning i verdensklasse. Disse kapaciteter gjorde det muligt for holdet at kigge dybt ind i HAT-P-70 B’s atmosfære, hvor de opdagede vinde, der blæste i utrolige hastigheder.
Hot Jupiters er gasgiganter, der ligner vores Jupiter i størrelse, men det adskiller sig meget i temperament. De sidder meget tættere på deres værtsstjerner end vores planetariske nabo gør, hvilket giver dem især forskellige fysiske egenskaber.
For at illustrere deres afstande tager det vores Jupiter næsten 12 år at kredse solen, mens Hot Jupiters tager 10 dage eller mindre. Nogle er endda blevet observeret piskning omkring deres solskin på mindre end en dag.
Orbling i en så tæt afstand giver disse planeter utroligt høje overfladetemperaturer, og dermed deres navn. De er ofte tidligt låst, hvilket betyder, at de har den ene side konstant overfor deres stjerne, der oplever en ekstremt varm “dag” og den ene side konstant vender væk med at opleve en koldere “nat.”
Hat-P-70 B er en meget “puffy” planet med en radius næsten dobbelt så stor som Jupiter. Den sidder så tæt på sin værtsstjerne, at dens bane er 2,7 jorddage, og den har en temperatur på ca. 2.300 ° Celsius (ca. 4.200 ° Fahrenheit), hvilket gør det til en af de hotteste planeter, der er kendt til dato. De ekstreme temperaturer giver dette ultra-hot jupiter en eksotisk atmosfære med en forskelligartet række gasformige metalliske atomer og ioner.
“Disse ultra-hot-atmosfærer er ideelle laboratorier til at studere eksoplaneter i bredere skala på grund af den fantastiske mulighed for at opdage og studere flere kemiske arter,” forklarer Langeveld. “Ved at måle mængderne af forskellige elementer – især sammenligne ‘stenede’ elementer som calcium og jern med ‘iskolde’ elementer som vand og kulstof – kan vi lære om, hvordan de dannede og udviklede sig.”
For at studere HAT-P-70 B’s atmosfære observerede teamet planettransiten eller passerer foran dens værtsstjerne. Når stjernens lys passerer gennem planetens atmosfære, fungerer kemikalierne i atmosfæren som et filter, der absorberer specifikke bølgelængder af lys.
Ved hjælp af spektroskopi-en observationsmetode, hvor et objekts lys spredes ud i et spektrum-kan teamet bestemme, hvilke kemikalier der findes i atmosfæren ved at identificere de fingeraftrykslignende mønstre for absorptionslinjer, der vises i spektret.
I HAT-P-70 B’s atmosfære opdagede teamet signaturer af ioniseret calcium-en gasformig og meget energisk form af calcium, der kun kan eksistere i miljøer med utrolig intens varme.
De fandt, at calciumsignalet strækker sig titusinder af kilometer ind i den øverste atmosfære. Men endnu vigtigere er, at Ghosts utrolige følsomhed gjorde det muligt for dem at “tidsresolver” calciumsignalet. Dette betyder, at de kunne spore, hvordan calciumabsorption ændrer sig fra planetens dag til nat.
Deibert deler sin erfaring med at undersøge HAT-P-70 B’s atmosfære: “Vi blev overrasket over den ekstraordinære følsomhed af Ghost, som gjorde det muligt for os at måle små variationer i de individuelle absorptionslinjer fra de ioniserede calcium og derved give information om forskellige regioner af atmosfæren. Dette detaljeringsniveau har traditionelt været vanskeligt at opnå i eksoplanetundersøgelser, især til individuelle absorptionslinjer i transmissionen.”
Fra disse observationer bestemte teamet, at HAT-P-70 B er vært for kraftig vind, der skynder sig fra de brændende dage til den køligere nat med hastigheder på op til 18.000 kilometer i timen (11.000 miles i timen). De brugte også de detekterede signaler til at udlede planetens masse og afslørede, at det sandsynligvis er meget lettere end tidligere tænkt-en afgørende parameter for fremtidige sammenligninger af ultra-hot jupiter-atmosfærer.
“Dette detaljeringsniveau er kun muligt med de mest avancerede spektrografer,” siger Langeveld, “gør Ghost et af de få instrumenter i verden, der er i stand til sådanne målinger.”
Deibert tilføjer, “Denne undersøgelse viser, at Ghost har potentialet til at yde store bidrag til at fremme vores forståelse af 3D -karakteren af exoplanet -atmosfærer, som der stadig er mange store ubesvarede spørgsmål.”
Spøgelsets tidsopløselige kraft vil fortsætte med at skubbe grænserne for exoplanet-undersøgelser. Faktisk ændrer Gemini spillet for astronomer som Deibert og Langeveld, der ønsker at indsamle spektroskopiske data samt optisk og infrarød information gennem dens store og lange programmer.
Langeveld og Deibert’s arbejde er en del af et godkendt stort program, som de er co-førende, hvilket betyder, at de og deres samarbejdspartnere har sikret at observere tid med Gemini til flerårige forskningsprojekter i planetariske studier.
Geminis store programmer vil fremme samarbejder og give betydelig indflydelse på alle områder af astrofysik og baner vejen for feltets fremtid.