Badanie „egzoplanet” – brzmiąca jak science fiction nazwa wszystkich planet w kosmosie poza naszym Układem Słonecznym – to całkiem nowa dziedzina. Badacze egzoplanet, tacy jak ci z ExoLab na Uniwersytecie w Kansas, korzystają głównie z danych z teleskopów kosmicznych, takich jak Kosmiczny Teleskop Hubble'a i Kosmiczny Teleskop Webba. Ilekroć nagłówki wiadomości donoszą o odkryciach planet „podobnych do Ziemi” lub planet, które mogą wspierać ludzkość, mają na myśli egzoplanety znajdujące się w naszej Drodze Mlecznej.
Jonathan Brande, doktorant w ExoLab na Uniwersytecie w Kansas, właśnie opublikował w ogólnodostępnym czasopiśmie naukowym The Astrophysical Journal Letters odkrycia pokazujące nowe szczegóły atmosferyczne w zestawie 15 egzoplanet podobnych do Neptuna. Chociaż nikt nie byłby w stanie wesprzeć ludzkości, lepsze zrozumienie ich zachowania może pomóc nam zrozumieć, dlaczego nie mamy małego Neptuna, podczas gdy w większości układów słonecznych wydaje się, że znajdują się planety tej klasy.
„W ciągu ostatnich kilku lat na KU skupiałem się na badaniu atmosfer egzoplanet za pomocą techniki zwanej spektroskopią transmisyjną” – powiedział Brande. „Kiedy planeta przechodzi, czyli przemieszcza się między naszym polem widzenia a gwiazdą, którą orbituje, światło gwiazdy przechodzi przez atmosferę planety i jest pochłaniane przez różne obecne w niej gazy. Przechwytując widmo gwiazdy – przepuszczając światło za pomocą instrumentu zwanego spektrografem, co przypomina przepuszczanie go przez pryzmat, obserwujemy tęczę, mierząc jasność różnych składowych kolorów. Zróżnicowane obszary jasności lub przyciemnienia widma ujawniają gazy pochłaniające światło w atmosferze planety.
Stosując tę metodologię, Brande kilka lat temu opublikował artykuł dotyczący „ciepłego Neptuna” egzoplanety TOI-674 b, w którym przedstawił obserwacje wskazujące na obecność pary wodnej w jej atmosferze. Obserwacje te były częścią szerszego programu prowadzonego przez doradcę Brande'a, Iana Crossfielda, profesora fizyki i astronomii na ALK, mającego na celu obserwację atmosfer egzoplanet wielkości Neptuna.
„Chcemy zrozumieć zachowanie tych planet, biorąc pod uwagę, że te nieco większe od Ziemi i mniejsze od Neptuna są najpowszechniejsze w galaktyce” – powiedział Brande.
W niedawnym artykule ApJL podsumowano obserwacje z tego programu, uwzględniając dane z dodatkowych obserwacji, aby wyjaśnić, dlaczego niektóre planety wydają się pochmurne, a inne przejrzyste.
„Celem jest zbadanie fizycznych wyjaśnień odpowiadających za odmienny wygląd tych planet” – powiedział Brande.
Brande i jego współautorzy zwrócili szczególną uwagę na regiony, w których egzoplanety mają tendencję do tworzenia chmur lub mgły wysoko w swoich atmosferach. Badacz z ALK stwierdził, że gdy takie aerozole atmosferyczne występują, mgły mogą blokować przenikanie światła przez atmosferę.
„Jeśli tuż nad powierzchnią planety znajduje się chmura, a nad nią znajdują się setki kilometrów czystego powietrza, światło gwiazd może z łatwością przejść przez czyste powietrze i zostać pochłonięte jedynie przez określone gazy występujące w tej części atmosfery” – powiedział Brande. „Jeśli jednak chmura jest umieszczona bardzo wysoko, chmury są na ogół nieprzezroczyste w całym widmie elektromagnetycznym. Chociaż mgły mają cechy widmowe, w naszej pracy, w której skupiamy się na stosunkowo wąskim zakresie za pomocą Hubble'a, dają one również przeważnie widma płaskie”.
Według Brande'a, gdy aerozole występują wysoko w atmosferze, światło nie ma wyraźnej drogi przedostania się przez nie.
„W przypadku Hubble’a pojedynczym gazem, na który jesteśmy najbardziej wrażliwi, jest para wodna” – powiedział. „Jeśli zaobserwujemy parę wodną w atmosferze planety, jest to dobra wskazówka, że nie ma chmur wystarczająco wysoko, aby zablokować jej absorpcję. I odwrotnie, jeśli nie zaobserwujemy pary wodnej i zobaczymy jedynie płaskie widmo, mimo że wiemy, że planeta powinna mieć rozległa atmosfera, sugeruje to prawdopodobną obecność chmur lub mgły na większych wysokościach.”
Brande kierował pracami międzynarodowego zespołu astronomów nad publikacją, w tym Crossfielda z ALK i współpracowników z Instytutu Maxa Plancka w Heidelbergu w Niemczech, kohorty kierowanej przez Laurę Kreidberg oraz badaczy z Uniwersytetu Teksasu w Austin pod przewodnictwem Caroline Morleya.
Brande i jego współautorzy podeszli do swojej analizy inaczej niż poprzednie wysiłki, koncentrując się na określeniu parametrów fizycznych atmosfer małego Neptuna. Natomiast poprzednie analizy często obejmowały dopasowanie widma pojedynczego modelu do obserwacji.
„Zazwyczaj badacze biorą model atmosfery ze wstępnie obliczoną zawartością wody, skalują go i przesuwają, aby dopasować go do obserwowanych planet w swojej próbce” – powiedział Brande. „To podejście wskazuje, czy widmo jest czyste, czy mętne, ale nie dostarcza żadnych informacji o ilości pary wodnej ani lokalizacji chmur w atmosferze”.
Zamiast tego Brande zastosował technikę znaną jako „odzyskiwanie atmosferyczne”.
„Wiązało się to z modelowaniem atmosfery na podstawie różnych parametrów planety, takich jak ilość pary wodnej i lokalizacja chmur, a następnie powtarzaniem setek i tysięcy symulacji w celu znalezienia najlepiej dopasowanej konfiguracji” – powiedział. „Nasze poszukiwania dały nam najlepiej dopasowane widmo modelu dla każdej planety, na podstawie którego obliczyliśmy, jak zachmurzona lub czysta wydaje się planeta. Następnie porównaliśmy zmierzoną klarowność z oddzielnym zestawem modeli Caroline Morley, co pozwoliło nam zobaczyć że nasze wyniki są zgodne z oczekiwaniami dla podobnych planet. Badając zachowanie chmur i mgły, nasze modele wykazały, że chmury lepiej pasują niż mgły. Parametr wydajności sedymentacji, odzwierciedlający zwartość chmur, sugerował, że obserwowane planety miały stosunkowo niską wydajność sedymentacji, co skutkuje w puszystych chmurach. Chmury te, składające się z cząstek podobnych do kropelek wody, pozostały uniesione w atmosferze ze względu na ich niską skłonność do osiadania.
Odkrycia Brande'a dostarczają wglądu w zachowanie atmosfer planet i wywołały „znaczne zainteresowanie”, gdy zaprezentował je na niedawnym spotkaniu Amerykańskiego Towarzystwa Astronomicznego.
Inne ustalenia
Co więcej, Brande bierze udział w międzynarodowym programie obserwacyjnym prowadzonym przez Crossfielda, w ramach którego właśnie ogłoszono odkrycie pary wodnej na GJ 9827d – planecie tak gorącej jak Wenus, oddalonej o 97 lat świetlnych od Ziemi, w konstelacji Ryb.
Obserwacje wykonane za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble'a pokazują, że planeta ta może być tylko jednym z przykładów planet bogatych w wodę w Drodze Mlecznej. Zostały ogłoszone przez zespół kierowany przez Pierre-Alexisa Roya z Instytutu Badań nad Egzoplanetami Trottiera na Université de Montréal.
„Szukaliśmy pary wodnej w atmosferach planet podobnych do Neptuna” – powiedział Brande. „Artykuł Pierre-Alexisa jest najnowszym osiągnięciem tego głównego projektu, ponieważ wykrycie pary wodnej wymagało około 10 lub 11 orbit lub tranzytów planety. Widmo Pierre-Alexisa trafiło do naszej publikacji jako jeden z naszych trendów punktów danych i uwzględniliśmy wszystkie planety z ich propozycji oraz inne planety badane w literaturze, co wzmocniło nasze wyniki. Podczas prac nad obydwoma artykułami byliśmy z nimi w ścisłym kontakcie, aby mieć pewność, że korzystamy z odpowiednio zaktualizowanych wyników i dokładnie odzwierciedlamy ich Wyniki.”