Oblast výzkumu extrasolárních planet za posledních patnáct let pokročila mílovými kroky. K dnešnímu dni se astronomové při potvrzení existence spoléhali na vesmírné a pozemní dalekohledy 4 566 exoplanet ve 3 385 systémech, přičemž dalších 7 913 kandidátů čeká na potvrzení. Ještě důležitější je, že v posledních několika letech se zaměření studií exoplanet pomalu přesunulo od procesu objevování k charakterizaci.
Zejména astronomové dělají velké pokroky, pokud jde o charakterizaci atmosfér exoplanet. Za použití Jižní dalekohled Gemini (GST) v Chile, mezinárodní tým pod vedením Arizona State University (ASU) dokázala charakterizovat atmosféru „horkého Jupiteru“ nacházejícího se 340 světelných let daleko. Díky tomu jsou prvním týmem, který přímo změřil chemické složení atmosféry vzdálené exoplanety, což je významný milník v honbě za obyvatelnými planetami mimo naši sluneční soustavu.
Studie týmu, která se nedávno objevila ve vědeckém časopise Příroda , vedl odborný asistent Michael Line z ASU Škola průzkumu Země a vesmíru (SESE). Připojili se k němu kolegové výzkumní pracovníci SESE a členové skupiny Tým virtuálních planetárních laboratoří (součást Astrobiologického institutu NASA), Centrum pro exoplanety a obyvatelnost (University of Warwick) a několik univerzit po celém světě.
Umělecká ilustrace exoplanety HR8799e. Přístroj ESO GRAVITY na svém Very Large Telescope Interferometer provedl první přímé optické pozorování této planety a její atmosféry. Kredit: ESO/L. Calçada
Pro tuto studii se Line a jeho tým zaměřili na WASP-77A b, plynného obra o hmotnosti 2,29 Jupiteru, který obíhá velmi blízko své hvězdy podobné Slunci (typ G). S průměrnou vzdáleností 0,024 AU tomuto „horkému Jupiteru“ trvá pouze 1,4 dne, než dokončí jeden oběh své hvězdy, a zažije teploty vyšší než 1093 °C (2 000 °F). Planeta byla poprvé spatřena v roce 2012 Širokoúhlé vyhledávání planet (WASP) kampaň pomocí Tranzitní metoda (také znám jako tranzitní fotometrie).
Tato metoda spočívá ve sledování hvězd pro periodické poklesy jasu, které jsou měřeny a načasovány, aby se určila velikost a oběžná doba všech planet obíhajících kolem hvězdy. Někdy mohou astronomové pozorovat světlo procházející atmosférou tranzitující exoplanety, což jim umožňuje získat spektra a určit, jaké chemikálie jsou přítomny v atmosféře planety. Tentokrát profesor Line a jeho kolegové získali spektra přímo z WASP-77A b, když obíhala svou hostitelskou hvězdu.
V zájmu své studie Line a jeho tým doufali, že získají měření atmosférického uhlíku a kyslíku v atmosféře WASP-77A b. Přítomnost těchto prvků ve vztahu k vodíku u horkých Jupiterů (ve vztahu k jejich hostitelským hvězdám) je něco, co astronomové hledají, protože umožní nahlédnout do této podivné třídy exoplanet. Zejména astronomové doufají, že se dozvědí více o jejich vzniku a následné migraci. Jak vysvětlil prof. Line v nedávném Tisková zpráva ASU:
„Vzhledem ke své velikosti a teplotě jsou horké Jupitery vynikající laboratoří pro měření atmosférických plynů a testování našich teorií o formování planet. Potřebovali jsme zkusit něco jiného, abychom odpověděli na naše otázky. A naše analýza schopností Gemini South ukázala, že bychom mohli získat ultrapřesná měření atmosféry.
Umělecký dojem z WASP-77A b s hostitelskou hvězdou typu G v dálce. Kredit: NASA
V minulosti se Line a jeho tým intenzivně zabývali měřením složení atmosféry exoplanet pomocíHubbleův vesmírný dalekohled. Bohužel,Hubbleůvpřístroje mohou měřit pouze přítomnost vody (odvozené z přítomnosti kyslíku) v atmosféře planety. Bohužel nemohou přesně měřit množství sloučenin uhlíku (jako je oxid uhelnatý).
Tentokrát se Line a jeho kolegové obrátili na 8,1metrový dalekohled na Gemini South Observatory, který provozuje National Science Foundation's National Science Foundation. National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory (NOIRLab). Použití dalekohledu Infračervený spektrometr s ponornou mřížkou (IGRINS), byli schopni pozorovat WASP-77A b přímo a změřit jeho blízkou infračervenou tepelnou záři.
Z toho byli schopni určit přítomnost a relativní množství vodní páry a oxidu uhelnatého v atmosféře planety. Uvedený řádek:
„Pokoušet se zjistit složení planetárních atmosfér je jako snažit se vyřešit zločin pomocí otisků prstů. Rozmazaný otisk prstu to ve skutečnosti příliš nezúží, ale velmi pěkný, čistý otisk poskytuje jedinečný identifikátor toho, kdo spáchal zločin.“
Vzhledem k tomu,Hubbleův vesmírný dalekohledbyl v minulosti schopen týmu poskytnout jeden nebo dva neostré „otisky prstů“, přístroj IGRINS na dalekohledu Gemini South poskytl týmu úplnou sadu jasných chemických signatur. Z toho byli schopni omezit relativní množství kyslíku a uhlíku v atmosféře exoplanetyajeho hostitelská hvězda, z nichž všechny byly v souladu s jejich očekáváním.
Diagram ukazující, jak Dopplerův posun (vpravo) umožňuje vědcům rekonstruovat oběžnou rychlost planety. V kombinaci s očekávanou zdánlivou rychlostí planety (středem), když obíhá kolem hvězdy, mohou odvodit složení atmosféry. Poděkování: P. Smith/M. Čára/S. Selkirk/ASU
Tyto výsledky jsou nejen významným technickým úspěchem, ale také ukazují, jak budou astronomové schopni získat ultrapřesná měření přítomnosti a množství různých plynů v atmosférách exoplanet. To je klíč k charakterizaci exoplanet, který astronomům umožňuje určit, zda planeta může podporovat život (jak jej známe). Tato studie byla v podstatě „průkopníkem“ demonstrace, která ukazuje, co bude možné v nadcházejících letech.
Do konce desetiletí budou mít astronomové přístup k dalekohledům nové generace, včetně teleskopů Vesmírný dalekohled Jamese Webba (JWST) a Římský vesmírný dalekohled Nancy Grace (RST). Kromě toho bude v blízké budoucnosti online několik pozemních observatoří, včetně Extrémně velký dalekohled (ELT) a Obří Magellanův dalekohled (GMT), oba jsou v současné době ve výstavbě v poušti Atacama na severu Chile. Uvedený řádek:
„Nyní jsme v bodě, kdy můžeme získat srovnatelné přesnosti množství plynu jako na planetách v naší vlastní sluneční soustavě. Měření množství uhlíku a kyslíku (a dalších prvků) v atmosférách většího vzorku exoplanet poskytuje tolik potřebný kontext pro pochopení původu a vývoje našich vlastních plynných obrů, jako je Jupiter a Saturn.
„Pokud to dokážeme s dnešní technologií, přemýšlejte o tom, co budeme schopni dělat s novými dalekohledy, jako je Obří Magellanův dalekohled . Je reálná možnost, že do konce tohoto desetiletí budeme moci použít stejnou metodu k vyčmuchání potenciálních signatur života, které také obsahují uhlík a kyslík, na skalnatých planetách podobných Zemi mimo naši vlastní sluneční soustavu.
Pokud jde o budoucnost, Line a tým plánují provést stejné typy měření na mnoha dalších exoplanetách, přičemž nakonec vytvoří „vzorek“ nejméně 15 atmosférických charakterizací. Očekávají také mnohem více vzrušujících nálezů, jakmile budou k dispozici teleskopy nové generace. S jejich konkrétní kombinací spektrometrů, koronografů a/nebo adaptivní optiky, tyto observatoře bude provádět Přímé zobrazování studie, které umožňují charakterizaci exoplanet jako nikdy předtím!