Astronomer giver 'feltguide' til exoplaneter kendt som varme jupitere

Hot Jupiters - gigantiske gasplaneter, der racer rundt om deres værtsstjerner i ekstremt snævre baner - er blevet en lille smule mindre mystiske takket være en ny undersøgelse, der kombinerer teoretisk modellering med observationer fra Hubble-rumteleskopet.

Mens tidligere undersøgelser for det meste fokuserede på individuelle verdener klassificeret som"hot Jupiters" på grund af deres overfladiske lighed med gasgiganten i vores eget solsystem, er det nye studie det første, der ser på en bredere befolkning af de mærkelige verdener. Udgivet iNatur astronomi, undersøgelsen, ledet af en forsker fra University of Arizona, giver astronomer en hidtil uset"field guide" til varme Jupiters og giver indsigt i planetdannelse generelt.

Selvom astronomer tror, ​​at kun omkring 1 ud af 10 stjerner er vært for en exoplanet i den varme Jupiter-klasse, udgør de ejendommelige planeter en betydelig del af de hidtil opdagede exoplaneter, på grund af det faktum, at de er større og lysere end andre typer exoplaneter, som f.eks. som stenede, mere jordlignende planeter eller mindre, køligere gasplaneter. I størrelse fra omkring en tredjedel af størrelsen af ​​Jupiter til 10 Jupiter-masser, kredser alle varme Jupiter om deres værtsstjerne på ekstremt tæt afstand, normalt meget tættere på Solen end Merkur, den inderste planet i vores solsystem. Et"år" på en typisk varm Jupiter varer timer, eller højst et par dage. Til sammenligning tager Mercury næsten tre måneder at gennemføre en tur rundt om solen.

På grund af deres tætte baner menes de fleste, hvis ikke alle, varme Jupitere at være låst i en højhastighedsfavnelse med deres værtsstjerner, med den ene side evigt udsat for stjernens's stråling og den anden indhyllet i evigt mørke. Overfladen på en typisk varm Jupiter kan blive så varm som næsten 5.000 grader Fahrenheit, med"kølere" prøver når 1.400 grader -- varme nok til at smelte aluminium.

Forskningen, som blev ledet af Megan Mansfield, en NASA Sagan Fellow ved University of Arizona's Steward Observatory, brugte observationer foretaget med Hubble Space Telescope, der gjorde det muligt for holdet direkte at måle emissionsspektre fra varme Jupiters, på trods af at Hubble ikke kan'billede nogen af ​​disse planeter direkte.

& quot;Disse systemer, disse stjerner og deres varme Jupiters, er for langt væk til at kunne løse den individuelle stjerne og dens planet," sagde Mansfield."Alt vi kan se er et punkt -- den kombinerede lyskilde af de to."

Mansfield og hendes team brugte en metode kendt som sekundær formørkelse til at pirre information fra observationerne, der gjorde det muligt for dem at kigge dybt ind i planeterne' atmosfærer og få indsigt i deres struktur og kemiske sammensætning. Teknikken involverer gentagne observationer af det samme system, der fanger planeten forskellige steder i dens kredsløb, herunder når den dykker bag stjernen.

& quot;Vi måler dybest set det kombinerede lys, der kommer fra stjernen og dens planet og sammenligner denne måling med det, vi ser, når planeten er skjult bag sin stjerne," sagde Mansfield."Dette giver os mulighed for at trække stjernens's bidrag og isolere det lys, der udsendes af planeten, selvom vi'ikke kan se det direkte."

Formørkelsesdataene gav forskerne indsigt i den termiske struktur af atmosfærerne i varme Jupiters og gjorde det muligt for dem at konstruere individuelle profiler af temperaturer og tryk for hver enkelt. Holdet analyserede derefter nær-infrarødt lys, som er et bånd af bølgelængder lige uden for det område, mennesker kan se, der kommer fra hvert varmt Jupiter-system for såkaldte absorptionsfunktioner. Fordi hvert molekyle eller atom har sin egen specifikke absorptionsprofil, som et fingeraftryk, giver det forskere mulighed for at få oplysninger om den kemiske sammensætning af varme Jupiters ved at se på forskellige bølgelængder. For eksempel, hvis vand er til stede i planetens's atmosfære, vil det absorbere lys på 1,4 mikron, hvilket falder inden for det bølgelængdeområde, som Hubble kan se meget godt.

& quot;På en måde bruger vi molekyler til at scanne gennem atmosfærerne på disse varme Jupitere," sagde Mansfield."Vi kan bruge det spektrum, vi observerer, til at få information om, hvad atmosfæren er lavet af, og vi kan også få information om, hvordan atmosfærens struktur ser ud."

Holdet gik et skridt videre ved at kvantificere observationsdataene og sammenligne dem med modeller af de fysiske processer, der menes at være på arbejde i atmosfæren af ​​varme Jupiters. De to sæt matchede meget godt, hvilket bekræfter, at mange forudsigelser om planeterne' natur baseret på teoretisk arbejde ser ud til at være korrekt, ifølge Mansfield, der sagde, at resultaterne er"spændende, fordi de var alt andet end garanteret."

Resultaterne tyder på, at alle varme Jupitere, ikke kun de 19, der er inkluderet i undersøgelsen, sandsynligvis vil indeholde lignende sæt af molekyler, som vand og kulilte, sammen med mindre mængder af andre molekyler. Forskellene mellem individuelle planeter bør for det meste beløbe sig til varierende relative mængder af disse molekyler. Resultaterne afslørede også, at de observerede vandabsorptionstræk varierede lidt fra den ene varm Jupiter til den næste.

& quot;Samlet fortæller vores resultater os, at der er en god chance for, at vi har fundet ud af de store genstande, der sker i disse planeters kemi," sagde Mansfield."På samme tid har hver planet sin egen kemiske sammensætning, og det påvirker også, hvad vi ser i vores observationer."

Ifølge forfatterne kan resultaterne bruges til at vejlede forventninger til, hvad astronomer kan se, når de ser på en varm Jupiter, der ikke er blevet undersøgt før. Lanceringen af ​​NASA's nyhedsflagskibsteleskop, James Webb Space Telescope, der er planlagt til den 18. december, har begejstrede exoplanetjægere, fordi Webb kan se i en meget bredere række af infrarødt lys og vil tillade et meget mere detaljeret kig på exoplaneter, herunder varme Jupitere.

& quot;Der er meget, som vi stadig'ikke ved om, hvordan planeter dannes generelt, og en af ​​de måder, vi forsøger at forstå, hvordan det kunne ske, er ved at se på atmosfæren i disse varme Jupiters og finde ud af, hvordan de kom til at være, hvor de er," sagde Mansfield."Med Hubble-dataene kan vi se på tendenser ved at studere vandabsorptionen, men når vi taler om atmosfærens sammensætning som helhed, er der mange andre vigtige molekyler, du gerne vil se på, som f.eks. kulilte og kuldioxid, og JWST vil give os en chance for faktisk også at observere dem."