Ein internationales Team unter der Leitung von Stefan Pelletier, einem Ph.D. Student am Trottier-Institut für Exoplanetenforschung der Université de Montréal gab heute bekannt, dass er eine detaillierte Studie des extrem heißen Riesen-Exoplaneten WASP-76 b durchgeführt hat.
Mit dem MAROON-X-Instrument am Gemini-North-Teleskop konnte das Team die Häufigkeit von 11 chemischen Elementen in der Atmosphäre des Planeten identifizieren und messen.
Dazu gehören gesteinsbildende Elemente, deren Häufigkeit nicht einmal für Riesenplaneten im Sonnensystem wie Jupiter oder Saturn bekannt ist. Die Studie des Teams wird in der Zeitschrift veröffentlicht Natur.
„Wirklich selten kommt es vor, dass ein Hunderte Lichtjahre entfernter Exoplanet uns etwas über unser eigenes Sonnensystem lehren kann, was wir sonst wahrscheinlich nicht wissen würden“, sagte Pelletier. „Das ist bei dieser Studie der Fall.“
Eine große, heiße, seltsame Welt
WASP-76 b ist eine seltsame Welt. Er erreicht extreme Temperaturen, weil er sich sehr nahe an seinem Mutterstern befindet, einem 634 Lichtjahre entfernten massereichen Stern im Sternbild Fische: etwa zwölfmal näher als Merkur an der Sonne. Mit einer Masse, die der des Jupiter ähnelt, aber vom Volumen her fast sechsmal größer ist, ist er ziemlich „aufgedunsen“.
Seit seiner Entdeckung durch das Wide Angle Search for Planets (WASP)-Programm im Jahr 2013 haben viele Teams ihn untersucht und verschiedene Elemente in seiner Atmosphäre identifiziert. Insbesondere in einer Studie, die ebenfalls in veröffentlicht wurde Natur Im März 2020 fand ein Team eine Eisensignatur und stellte die Hypothese auf, dass es auf dem Planeten Eisenregen geben könnte.
Im Bewusstsein dieser Studien wurde Pelletier motiviert, neue, unabhängige Beobachtungen von WASP-76 b mithilfe des hochauflösenden optischen Spektrographen MAROON-X am Gemini-North 8-Meter-Teleskop in Hawaii, einem Teil des International Gemini Observatory, zu erhalten. betrieben vom NOIRLab der NSF.
„Wir haben erkannt, dass der leistungsstarke neue MAROON-X-Spektrograph es uns ermöglichen würde, die chemische Zusammensetzung von WASP-76 b mit einem für jeden Riesenplaneten beispiellosen Detaillierungsgrad zu untersuchen“, sagt UdeM-Astronomieprofessor Björn Benneke, Mitautor der Studie Stefan Pelletiers Doktorvater.
Eine Komposition ähnlich der der Sonne
Innerhalb der Sonne sind die Häufigkeiten fast aller Elemente des Periodensystems mit großer Genauigkeit bekannt. Auf den Riesenplaneten unseres Sonnensystems gilt dies jedoch nur für eine Handvoll Elemente, deren Zusammensetzung noch kaum bekannt ist. Und dies hat das Verständnis der Mechanismen erschwert, die die Entstehung dieser Planeten steuern.
Aufgrund seiner Nähe zu seinem Stern hat WASP-76 b eine Temperatur von deutlich über 2000 °C. Bei diesen Graden verdampfen viele Elemente, die hier auf der Erde normalerweise Gesteine bilden würden (wie Magnesium und Eisen), und liegen in gasförmiger Form in der oberen Atmosphäre vor. Die Untersuchung dieses besonderen Planeten ermöglicht beispiellose Einblicke in das Vorhandensein und die Häufigkeit gesteinsbildender Elemente auf Riesenplaneten, da diese Elemente auf kälteren Riesenplaneten wie Jupiter tiefer in der Atmosphäre vorkommen und nicht nachweisbar sind.
Die von Pelletier und seinem Team gemessene Häufigkeit vieler Elemente in der Atmosphäre des Exoplaneten – wie Mangan, Chrom, Magnesium, Vanadium, Barium und Kalzium – stimmt sehr gut mit denen seines Muttersterns und unserer eigenen Sonne überein.
Diese Häufigkeiten sind nicht zufällig: Sie sind das direkte Produkt des Urknalls, gefolgt von Milliarden Jahren stellarer Nukleosynthese, sodass Wissenschaftler in allen Sternen ungefähr die gleiche Zusammensetzung messen. Es unterscheidet sich jedoch von der Zusammensetzung von Gesteinsplaneten wie der Erde, die auf komplexere Weise gebildet sind.
Die Ergebnisse dieser neuen Studie deuten darauf hin, dass Riesenplaneten eine Gesamtzusammensetzung beibehalten könnten, die derjenigen der protoplanetaren Scheibe entspricht, aus der sie entstanden sind.
Die Erschöpfung anderer Elemente ist sehr interessant
Allerdings waren auf dem Planeten im Vergleich zum Stern andere Elemente weniger vorhanden – ein Ergebnis, das Pelletier besonders interessant fand.
„Diese Elemente, die in der Atmosphäre von WASP-76 b zu fehlen scheinen, sind genau diejenigen, deren Verdampfung höhere Temperaturen erfordert, wie Titan und Aluminium“, sagte er. „Unterdessen verdampfen diejenigen, die unseren Vorhersagen entsprachen, wie Mangan, Vanadium oder Kalzium, alle bei etwas niedrigeren Temperaturen.“
Die Interpretation des Entdeckungsteams ist, dass die beobachtete Zusammensetzung der oberen Atmosphäre von Riesenplaneten äußerst temperaturempfindlich sein kann. Abhängig von der Kondensationstemperatur eines Elements liegt es in Gasform vor und befindet sich im oberen Teil der Atmosphäre oder es kondensiert zu flüssiger Form, wo es in tiefere Schichten absinkt. Wenn es in Gasform vorliegt, spielt es eine wichtige Rolle bei der Absorption von Licht und kann in Beobachtungen von Astronomen beobachtet werden. Wenn es kondensiert ist, kann es von Astronomen nicht entdeckt werden und verschwindet in ihren Beobachtungen völlig.
„Wenn sich dieser Befund bestätigt, würde dies bedeuten, dass zwei riesige Exoplaneten, die leicht unterschiedliche Temperaturen voneinander haben, sehr unterschiedliche Atmosphären haben könnten“, sagte Pelletier. „So ähnlich wie zwei Töpfe mit Wasser, einer bei -1 °C, der gefroren ist, und einer, der bei +1 °C flüssig ist. Beispielsweise wird Kalzium auf WASP-76 b beobachtet, aber es ist möglicherweise nicht eingeschaltet ein etwas kälterer Planet.
Erster Nachweis von Vanadiumoxid
Eine weitere interessante Entdeckung von Pelletiers Team ist der Nachweis eines Moleküls namens Vanadiumoxid. Dies ist das erste Mal, dass es eindeutig auf einem Exoplaneten nachgewiesen wurde, und ist für Astronomen von großem Interesse, da sie wissen, dass es große Auswirkungen auf heiße Riesenplaneten haben kann.
„Dieses Molekül spielt eine ähnliche Rolle wie Ozon in der Erdatmosphäre: Es ist äußerst effizient bei der Erwärmung der oberen Atmosphäre“, erklärte Pelletier. „Dies führt dazu, dass die Temperaturen mit der Höhe ansteigen, anstatt zu sinken, wie es normalerweise auf kälteren Planeten zu beobachten ist.“
Ein Element, Nickel, kommt in der Atmosphäre des Exoplaneten eindeutig häufiger vor, als die Astronomen erwartet hatten. Viele Hypothesen könnten das erklären; Einer davon ist, dass WASP-76 b Material von einem Merkur ähnlichen Planeten angesammelt haben könnte. In unserem Sonnensystem ist der kleine Gesteinsplanet aufgrund seiner Entstehung mit Metallen wie Nickel angereichert.
Pelletiers Team fand außerdem heraus, dass die in früheren Studien berichtete Asymmetrie der Eisenabsorption zwischen der Ost- und Westhalbkugel von WASP-76 b auch für viele andere Elemente gilt. Dies bedeutet, dass das zugrunde liegende Phänomen, das dies verursacht, wahrscheinlich ein globaler Prozess ist, wie z. B. ein Temperaturunterschied oder das Vorhandensein von Wolken auf einer Seite des Planeten, aber nicht auf der anderen, und nicht, wie zuvor vermutet, das Ergebnis der Kondensation in flüssiger Form ist.
Erkenntnisse bestätigen und nutzen
Pelletier und sein Team sind sehr daran interessiert, mehr über diesen Exoplaneten und andere ultraheiße Riesenplaneten zu erfahren, auch um ihre Hypothese über die sehr unterschiedlichen Atmosphären zu bestätigen, die auf Planeten mit geringfügig unterschiedlichen Temperaturen herrschen könnten.
Sie hoffen auch, dass andere Forscher ihre Erkenntnisse aus diesem riesigen Exoplaneten nutzen und sie anwenden werden, um unser Verständnis der Planeten unseres eigenen Sonnensystems und ihrer Entstehung zu verbessern.
„Generationen von Forschern haben die gemessenen Häufigkeiten von Wasserstoff und Helium bei Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun genutzt, um Theorien zur Entstehung von Gasplaneten zu vergleichen“, sagte Benneke. „Ebenso werden die Messungen schwererer Elemente wie Kalzium oder Magnesium auf WASP-76 b dazu beitragen, die Entstehung von Gasplaneten besser zu verstehen.“
