Sniffar metan på en avlägsen värld

By | November 23, 2023

Konstnärens återgivning av den varma exoplaneten WASP-80 b, vars färg kan verka blåaktig för det mänskliga ögat på grund av bristen på höghöjdsmoln och närvaron av atmosfäriskt metan som identifierats av NASA:s rymdteleskop James Webb, liknande planeterna Uranus och Neptunus i vårt eget solsystem. Kredit: NASA

NASA:s rymdteleskop James Webb observerade exoplaneten WASP-80 b när den passerade framför och bakom sin värdstjärna, och avslöjade spektra som tyder på en atmosfär som innehåller metangas och vattenånga. Medan vattenånga hittills har upptäckts på mer än ett dussin planeter, fram till nyligen metan, en molekyl som finns i överflöd i atmosfären i

Taylor Bell från Bay Area Environmental Research Institute (BAERI), som arbetar vid NASA Ames Research Center i Silicon Valley, Kalifornien, och Luis Welbanks från Arizona State University berättar mer om vikten av upptäckten av metan i exoplanetatmosfärer och diskuterar hur Webbs observationer underlättade identifieringen av denna mycket eftertraktade molekyl. Dessa fynd publicerades nyligen i den vetenskapliga tidskriften Nature.

Förstå ‘Warm Jupiter’ WASP-80 b

“Med en temperatur på cirka 825 kelvin (cirka 1 025 grader

Under tiden, med hjälp av förmörkelsemetoden, observerade vi systemet när planeten passerade bakom sin stjärna ur vårt perspektiv, vilket orsakade ytterligare en liten minskning av det totala ljuset vi fick. Alla föremål avger något ljus, kallat termisk strålning, och intensiteten och färgen på det ljus som sänds ut beror på hur varmt föremålet är. Strax före och efter förmörkelsen pekar den varma sidan av planeten mot oss och genom att mäta ljusfallet under förmörkelsen kunde vi mäta det infraröda ljuset som planeten sänder ut. När det gäller förmörkelsespektra uppträder absorption av molekyler i planetens atmosfär vanligtvis som en minskning av det ljus som planeten emitterar vid specifika våglängder. Dessutom, eftersom planeten är mycket mindre och svalare än dess värdstjärna, är djupet av en förmörkelse mycket grundare än djupet av en transit.

Exoplanet WASP-80 b Atmosfärisk sammansättning

Det uppmätta transitspektrumet (överst) och förmörkelsespektrumet (botten) av WASP-80 b från NIRCams slitslösa spektroskopiläge på NASA:s James Webb rymdteleskop. I båda spektra finns tydliga bevis för vatten- och metanabsorption vars bidrag indikeras av färgade konturer. Under en transit passerar planeten framför stjärnan, och i ett transitspektrum får närvaron av molekyler att planetens atmosfär blockerar mer ljus i vissa färger, vilket orsakar djupare dämpning vid dessa våglängder. Under en förmörkelse passerar planeten bakom stjärnan och i detta förmörkelsespektrum absorberar molekyler en del av det ljus som planeten sänder ut i specifika färger, vilket orsakar en mindre minskning av ljusstyrkan under förmörkelsen jämfört med en transit. Kredit: BAERI/NASA/Taylor Bell

Spektraldataanalys

De första observationerna vi gjorde måste omvandlas till något vi kallar ett spektrum; Det är i huvudsak ett mått som visar hur mycket ljus planetens atmosfär blockerar eller avger i olika färger (eller våglängder) av ljus. Det finns många olika verktyg för att omvandla råa observationer till användbara spektra, så vi använde två olika tillvägagångssätt för att säkerställa att våra resultat var robusta för olika antaganden. Vi tolkar sedan detta spektrum med hjälp av två typer av modeller för att simulera hur en planets atmosfär skulle se ut under sådana extrema förhållanden. Den första typen av modell är helt flexibel och testar miljontals kombinationer av metan- och vattenmängder och temperaturer för att hitta den kombination som bäst matchar våra data. Den andra typen, som kallas “självkonsekventa modeller”, utforskar också miljontals kombinationer, men använder vår befintliga kunskap om fysik och kemi för att bestämma nivåerna av metan och vatten som kan förväntas. Båda typerna av modeller nådde samma slutsats: en definitiv upptäckt av metan.

För att validera våra fynd använde vi robusta statistiska metoder för att utvärdera sannolikheten att vår upptäckt är slumpmässigt brus. Inom vårt område anser vi att “guldstandarden” är något som kallas “5-sigma-detektion”, vilket betyder att chansen att en detektering orsakas av slumpmässigt brus är 1 på 1,7 miljoner. Samtidigt upptäckte vi metan vid 6,1 sigma i både transit- och förmörkelsespektra, vilket satte oddsen för en falsk detektering i varje observation till 1 på 942 miljoner, vilket översteg “guldstandarden” på 5 sigma och stärkte vårt förtroende för båda. upptäckter.

Implikationer av metandetektion

Med en sådan säker upptäckt hittade vi inte bara en mycket svårfångad molekyl, utan vi kan nu börja utforska vad denna kemiska sammansättning säger oss om planetens födelse, tillväxt och evolution. Genom att till exempel mäta mängden metan och vatten på planeten kan vi sluta oss till förhållandet mellan kolatomer och syreatomer. Detta förhållande förväntas ändras beroende på var och när planeter bildas i ditt system. Att undersöka detta förhållande mellan kol och syre kan därför ge ledtrådar om huruvida planeten bildades nära sin stjärna eller längre bort innan den gradvis rörde sig inåt.

En annan sak som upphetsar oss med denna upptäckt är möjligheten att äntligen jämföra planeter utanför vårt solsystem med dem som finns i det. NASA har en historia av att skicka rymdfarkoster till gasjättarna i vårt solsystem för att mäta mängden metan och andra molekyler i deras atmosfärer. Nu, genom att ha en mätning av samma gas på en exoplanet, kan vi börja göra en “äpplen till äpplen”-jämförelse och se om förväntningarna från solsystemet matchar det vi ser utanför det.

Framtidsutsikter med rymdteleskopet James Webb

Slutligen, när vi ser på framtida upptäckter med Webb, visar detta resultat oss att vi är på gränsen till mer intressanta fynd. Ytterligare MIRI- och NIRCam-observationer av WASP-80 b med Webb kommer att tillåta oss att undersöka atmosfärens egenskaper vid olika ljusvåglängder. Våra fynd får oss att tro att vi kommer att kunna observera andra kolrika molekyler, såsom kolmonoxid och koldioxid, vilket gör att vi kan måla en mer komplett bild av förhållandena i denna planets atmosfär.

När vi dessutom hittar metan och andra gaser på exoplaneter kommer vi att fortsätta att utöka vår kunskap om hur kemi och fysik fungerar under förhållanden som skiljer sig från dem vi har på jorden, och kanske snart, på andra planeter som påminner oss om de vi har. här. hemma. “En sak är klar: upptäcktsresan med rymdteleskopet James Webb är full av potentiella överraskningar.”

Referens: “Metan i atmosfären av den varma exoplaneten WASP-80b” av Taylor J. Bell, Luis Welbanks, Everett Schlawin, Michael R. Line, Jonathan J. Fortney, Thomas P. Greene, Kazumasa Ohno, Vivien Parmentier, Emily Rauscher, Thomas G. Beatty, Sagnick Mukherjee, Lindsey S. Wiser, Martha L. Boyer, Marcia J. Rieke och John A. Stansberry, 22 november 2023. Natur.
DOI: 10.1038/s41586-023-06687-0

Om Författarna:

  • Taylor Bell är en postdoktor vid Bay Area Environmental Research Institute (BAERI) och arbetar vid NASA Ames Research Center i Silicon Valley, Kalifornien.
  • Luis Welbanks är en NASA Hubble Fellow vid Arizona State University i Tempe, Arizona.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *