Astronomer gir 'feltguide' til eksoplaneter kjent som varme Jupitere

Hot Jupiters - gigantiske gassplaneter som raser rundt vertsstjernene sine i ekstremt tette baner - har blitt litt mindre mystiske takket være en ny studie som kombinerer teoretisk modellering med observasjoner fra Hubble-romteleskopet.

Mens tidligere studier stort sett fokuserte på individuelle verdener klassifisert som"hot Jupiters" på grunn av deres overfladiske likhet med gassgiganten i vårt eget solsystem, er den nye studien den første som ser på en bredere populasjon av de merkelige verdenene. Publisert iNatur astronomi, studien, ledet av en forsker fra University of Arizona, gir astronomer en enestående"feltguide" til varme Jupiters og gir innsikt i planetdannelse generelt.

Selv om astronomer tror at bare rundt 1 av 10 stjerner er vert for en eksoplanet i den varme Jupiter-klassen, utgjør de særegne planetene en betydelig del av eksoplanetene som er oppdaget til dags dato, på grunn av det faktum at de er større og lysere enn andre typer eksoplaneter, som f.eks. som steinete, mer jordlignende planeter eller mindre, kjøligere gassplaneter. I størrelse fra omtrent en tredjedel av størrelsen på Jupiter til 10 Jupiter-masser, går alle varme Jupitere i bane rundt sin vertsstjerne på ekstremt nært hold, vanligvis mye nærmere enn Merkur, den innerste planeten i solsystemet vårt, er solen. Et"år" på en typisk varm Jupiter varer timer, eller høyst noen få dager. Til sammenligning tar Mercury nesten tre måneder å gjennomføre en tur rundt solen.

På grunn av deres nære baner antas de fleste, om ikke alle, varme Jupitere å være låst i en høyhastighetsomfavnelse med vertsstjernene, med den ene siden evig eksponert for stjernens's stråling og den andre innhyllet i evig mørke. Overflaten til en typisk varm Jupiter kan bli så varm som nesten 5000 grader Fahrenheit, med"kjølere" prøver som når 1400 grader -- varme nok til å smelte aluminium.

Forskningen, som ble ledet av Megan Mansfield, en NASA Sagan Fellow ved University of Arizona's Steward Observatory, brukte observasjoner gjort med Hubble Space Telescope som gjorde det mulig for teamet å direkte måle utslippsspektra fra varme Jupiters, til tross for at Hubble'ikke kan avbilde noen av disse planetene direkte.

& quot;Disse systemene, disse stjernene og deres varme Jupiters, er for langt unna til å løse den individuelle stjernen og dens planet," sa Mansfield."Alt vi kan se er et punkt -- den kombinerte lyskilden til de to."

Mansfield og teamet hennes brukte en metode kjent som sekundær formørkelse for å erte informasjon fra observasjonene som tillot dem å kikke dypt inn i planetene' atmosfærer og få innsikt i deres struktur og kjemiske sammensetning. Teknikken innebærer gjentatte observasjoner av det samme systemet, og fanger planeten på forskjellige steder i dens bane, inkludert når den dykker bak stjernen.

& quot;Vi måler i utgangspunktet det kombinerte lyset som kommer fra stjernen og dens planet og sammenligner denne målingen med det vi ser når planeten er skjult bak stjernen," sa Mansfield."Dette lar oss trekke fra stjernens's bidrag og isolere lyset som sendes ut av planeten, selv om vi'ikke kan se det direkte."

Formørkelsesdataene ga forskerne innsikt i den termiske strukturen til atmosfærene til varme Jupiters og tillot dem å konstruere individuelle profiler av temperaturer og trykk for hver enkelt. Teamet analyserte deretter nær-infrarødt lys, som er et bånd av bølgelengder like utenfor området mennesker kan se, som kommer fra hvert varme Jupiter-system for såkalte absorpsjonsfunksjoner. Fordi hvert molekyl eller atom har sin egen spesifikke absorpsjonsprofil, som et fingeravtrykk, gjør det mulig for forskere å få informasjon om den kjemiske sammensetningen av varme Jupiters ved å se på forskjellige bølgelengder. For eksempel, hvis vann er tilstede i planetens's atmosfære, vil det absorbere lys på 1,4 mikron, som faller innenfor det bølgelengdeområdet som Hubble kan se veldig godt.

& quot;På en måte bruker vi molekyler til å skanne gjennom atmosfærene på disse varme Jupiterne," sa Mansfield."Vi kan bruke spekteret vi observerer for å få informasjon om hva atmosfæren er laget av, og vi kan også få informasjon om hvordan strukturen til atmosfæren ser ut."

Teamet gikk et skritt videre ved å kvantifisere observasjonsdataene og sammenligne dem med modeller av fysiske prosesser som antas å være i arbeid i atmosfæren til varme Jupiters. De to settene passet veldig godt, noe som bekrefter at mange spådommer om planetene' natur basert på teoretisk arbeid ser ut til å være korrekt, ifølge Mansfield, som sa at funnene er"spennende fordi de var alt annet enn garantert."

Resultatene tyder på at alle varme Jupitere, ikke bare de 19 som er inkludert i studien, sannsynligvis inneholder lignende sett med molekyler, som vann og karbonmonoksid, sammen med mindre mengder andre molekyler. Forskjellene mellom individuelle planeter bør stort sett utgjøre varierende relative mengder av disse molekylene. Funnene avslørte også at de observerte vannabsorpsjonsfunksjonene varierte litt fra en varm Jupiter til den neste.

& quot;Samlet sett forteller resultatene våre oss at det er en god sjanse for at vi har funnet ut det store bildet som skjer i kjemien til disse planetene," sa Mansfield."Samtidig har hver planet sin egen kjemiske sammensetning, og det påvirker også hva vi ser i våre observasjoner."

I følge forfatterne kan resultatene brukes til å veilede forventninger til hva astronomer kan se når de ser på en varm Jupiter som ikke har blitt studert før. Lanseringen av NASA's nyhetsflaggskipteleskop, James Webb Space Telescope, som er planlagt til 18. desember, gleder eksoplanetjegere fordi Webb kan se i et mye bredere spekter av infrarødt lys, og vil tillate mye mer detaljert titt på eksoplaneter, inkludert varme Jupitere.

& quot;Det er mye vi fortsatt'ikke vet om hvordan planeter dannes generelt, og en av måtene vi prøver å forstå hvordan det kan skje er ved å se på atmosfærene til disse varme Jupiters og finne ut hvordan de kom til å være der de er," sa Mansfield."Med Hubble-dataene kan vi se på trender ved å studere vannabsorpsjonen, men når vi snakker om sammensetningen av atmosfæren som helhet, er det mange andre viktige molekyler du vil se på, som f.eks. karbonmonoksid og karbondioksid, og JWST vil gi oss en sjanse til å faktisk observere disse også."