Den mest omfattande undersökningen av atmosfäriska kemiska sammansättningar av exoplaneter hittills har avslöjat trender som utmanar nuvarande teorier om planetbildning och har konsekvenser för sökandet efter vatten i solsystemet och bortom. Kredit:Amanda Smith
Den mest omfattande undersökningen av atmosfäriska kemiska sammansättningar av exoplaneter hittills har avslöjat trender som utmanar nuvarande teorier om planetbildning och har konsekvenser för sökandet efter vatten i solsystemet och bortom.
Ett team av forskare, ledd av University of Cambridge, använde atmosfäriska data från 19 exoplaneter för att få detaljerade mätningar av deras kemiska och termiska egenskaper. Exoplaneterna i studien spänner över ett stort område i storlek - från "mini-Neptunes" på nästan 10 jordmassor till "super-Jupiters" på över 600 jordmassor - och temperatur, från nästan 20C till över 2000C. Som de jättelika planeterna i vårt solsystem, deras atmosfär är rik på väte, men de kretsar kring olika typer av stjärnor.
Forskarna fann att även om vattenånga är vanlig i atmosfären på många exoplaneter, beloppen var förvånansvärt lägre än förväntat, medan mängderna av andra grundämnen som finns på vissa planeter överensstämde med förväntningarna. Resultaten, som ingår i ett femårigt forskningsprogram om den kemiska sammansättningen av planetariska atmosfärer utanför vårt solsystem, redovisas i Astrofysiska tidskriftsbrev .
"Vi ser de första tecknen på kemiska mönster i utomjordiska världar, och vi ser hur olika de kan vara när det gäller deras kemiska sammansättning, " sa projektledaren Dr Nikku Madhusudhan från Institute of Astronomy i Cambridge, som först mätte låga mängder vattenånga i gigantiska exoplaneter för fem år sedan.
I vårt solsystem, mängden kol i förhållande till väte i jätteplanets atmosfär är betydligt högre än solens. Detta "supersolar" överflöd tros ha sitt ursprung när planeterna bildades, och stora mängder is, stenar och andra partiklar fördes in i planeten i en process som kallas ackretion.
Mängden av andra grundämnen har förutspåtts vara lika hög i atmosfären hos jättelika exoplaneter - särskilt syre, som är det vanligaste grundämnet i universum efter väte och helium. Det betyder att vatten, en dominerande bärare av syre, förväntas också vara överflödig i sådana atmosfärer.
Forskarna använde omfattande spektroskopisk data från rymdbaserade och markbaserade teleskop, inklusive rymdteleskopet Hubble, rymdteleskopet Spitzer, Very Large Telescope i Chile och Gran Telescopio Canarias i Spanien. Mängden tillgängliga observationer, tillsammans med detaljerade beräkningsmodeller, statistiska metoder, och atomära egenskaper hos natrium och kalium, tillät forskarna att få uppskattningar av de kemiska förekomsterna i exoplanetatmosfärerna över provet.
Den mest omfattande undersökningen av atmosfäriska kemiska sammansättningar av exoplaneter hittills har avslöjat trender som utmanar nuvarande teorier om planetbildning och har konsekvenser för sökandet efter vatten i solsystemet och bortom. Kredit:Amanda Smith
Teamet rapporterade överflödet av vattenånga i 14 av de 19 planeterna, och överflödet av natrium och kalium på sex planeter vardera. Deras resultat tyder på en utarmning av syre i förhållande till andra grundämnen och ger kemiska ledtrådar till hur dessa exoplaneter kan ha bildats utan någon större istillväxt.
"Det är otroligt att se så låga vattenmängder i atmosfären på ett brett spektrum av planeter som kretsar runt en mängd olika stjärnor, sa Madhusudhan.
"Att mäta mängden av dessa kemikalier i exoplanetära atmosfärer är något extraordinärt, med tanke på att vi inte har kunnat göra detsamma för jätteplaneter i vårt solsystem ännu, inklusive Jupiter, vår närmaste gasjättegranne, " sa Luis Welbanks, huvudförfattare till studien och Ph.D. student vid Institutet för astronomi.
Various efforts to measure water in Jupiter's atmosphere, including NASA's current Juno mission, have proved challenging. "Since Jupiter is so cold, any water vapour in its atmosphere would be condensed, making it difficult to measure, " said Welbanks. "If the water abundance in Jupiter were found to be plentiful as predicted, it would imply that it formed in a different way to the exoplanets we looked at in the current study."
"We look forward to increasing the size of our planet sample in future studies, " said Madhusudhan. "Inevitably, we expect to find outliers to the current trends as well as measurements of other chemicals."
These results show that different chemical elements can no longer be assumed to be equally abundant in planetary atmospheres, challenging assumptions in several theoretical models.
"Given that water is a key ingredient to our notion of habitability on Earth, it is important to know how much water can be found in planetary systems beyond our own, " said Madhusudhan.
