Figur 1:Jämförelse av vårt solsystem (överst) och planetsystemet WASP-33 (nederst). Avstånden mellan planeterna i solsystemet är inte skalenliga. WASP-33b är mycket närmare sin värdstjärna än Merkurius är solen; den har en hög temperatur på 2500 grader Celsius på grund av extrem strålning från dess värdstjärna. Ena sidan av WASP-33b är ständigt vänd mot sin värdstjärna, liknande hur samma sida av månen alltid är vänd mot jorden. Kredit:WP, CC BY-SA 3.0, Wikimedia Commons (överst), Astrobiologicentrum (nederst))
Ett internationellt samarbete mellan astronomer ledd av en forskare från Astrobiology Center och Queen's University Belfast har upptäckt en ny kemisk signatur i atmosfären på en extrasolär planet, dvs. en planet som kretsar kring en annan stjärna än vår sol. Hydroxylradikalen (OH) hittades på dagsidan av exoplaneten WASP-33b. Denna planet är en så kallad "ultra-het Jupiter, " en gasjätteplanet som kretsar kring sin värdstjärna mycket närmare än Merkurius kretsar runt solen (Figur 1) och därför når atmosfärstemperaturer på mer än 2500 grader C (tillräckligt varmt för att smälta de flesta metaller). Den ledande forskaren baserad vid Astrobiology Center och Queen's University Belfast, Dr. Stevanus Nugroho, säger, "Detta är det första direkta beviset på OH i atmosfären på en planet bortom solsystemet. Det visar inte bara att astronomer kan upptäcka denna molekyl i exoplanetatmosfärer, men också att de kan börja förstå den detaljerade kemin hos denna planetariska befolkning."
I jordens atmosfär, OH produceras huvudsakligen genom reaktion av vattenånga med atomärt syre. Det är ett så kallat "atmosfäriskt rengöringsmedel" och spelar en avgörande roll i jordens atmosfär för att rensa ut förorenande gaser som är farliga för liv (t.ex. metan, kolmonoxid). På en mycket hetare och större planet som WASP-33b (Figur 2, där astronomer tidigare har upptäckt tecken på järn- och titanoxidgas) spelar OH en nyckelroll för att bestämma atmosfärens kemi genom interaktioner med vattenånga och kolmonoxid. Det mesta av OH i atmosfären i WASP-33b tros ha producerats genom att vattenånga förstördes på grund av den extremt höga temperaturen. "Vi ser bara en trevande och svag signal från vattenånga i våra data, vilket skulle stödja tanken att vatten förstörs för att bilda hydroxyl i denna extrema miljö, " förklarar Dr Ernst de Mooij från Queen's University Belfast, en medförfattare till denna studie.
För att göra denna upptäckt, teamet använde instrumentet InfraRed Doppler (IRD) vid Subaru-teleskopet med en diameter på 8,2 meter som ligger i toppområdet Maunakea i Hawaii (cirka 4, 200 m över havet). Detta nya instrument kan upptäcka atomer och molekyler genom deras "spektrala fingeravtryck, " unika uppsättningar av mörka absorptionsegenskaper överlagrade på regnbågen av färger (eller spektrum) som sänds ut av stjärnor och planeter. När planeten kretsar runt sin värdstjärna, dess hastighet i förhållande till jorden förändras med tiden. Precis som sirenen från en ambulans eller dånet från en racerbils motor tycks ändra tonhöjd medan de rusar förbi oss, ljusfrekvenserna (dvs färgen) för dessa spektrala fingeravtryck ändras med planetens hastighet. Detta gör att vi kan skilja planetens signal från dess ljusa värdstjärna, som normalt överväldigar sådana observationer, trots att moderna teleskop inte är i närheten av tillräckligt kraftfulla för att ta direkta bilder av sådana "heta Jupiter" exoplaneter.
Figur 2:Konstnärens intryck av en "ultra-het Jupiter"-exoplanet, WASP-33b. Kredit:Astrobiology Center
"Vetenskapen om extrasolära planeter är relativt ny, och ett centralt mål för modern astronomi är att utforska dessa planeters atmosfärer i detalj och så småningom söka efter "jordliknande" exoplaneter — planeter som liknar våra egna. Varje ny atmosfärisk art som upptäcks förbättrar ytterligare vår förståelse av exoplaneter och de tekniker som krävs för att studera deras atmosfärer, och tar oss närmare detta mål", säger Dr. Neale Gibson, biträdande professor vid Trinity College Dublin och medförfattare till detta arbete. Genom att dra nytta av de unika funktionerna hos IRD, astronomerna kunde upptäcka den lilla signalen från hydroxyl i planetens atmosfär. "IRD är det bästa instrumentet för att studera atmosfären hos en exoplanet i det infraröda, " tillägger Prof. Motohide Tamura, en av de främsta utredarna av IRD, chef för Astrobiology Center, och medförfattare till detta arbete.
"Dessa tekniker för atmosfärisk karakterisering av exoplaneter är fortfarande bara tillämpliga på mycket heta planeter, men vi skulle vilja vidareutveckla instrument och tekniker som gör det möjligt för oss att tillämpa dessa metoder på kallare planeter, och slutligen, till en andra jord, " säger Dr Hajime Kawahara, biträdande professor vid University of Tokyo och medförfattare till detta arbete.
Prof. Chris Watson (QUB) från Queen's University Belfast, en medförfattare till denna studie, fortsätter, "Medan WASP-33b kan vara en gigantisk planet, dessa observationer är testbädden för nästa generations anläggningar som Thirty Meter Telescope och European Extremely Large Telescope för att söka efter biosignaturer på mindre och potentiellt steniga världar, som kan ge tips till en av mänsklighetens äldsta frågor, "Är vi ensamma?'"
Dessa resultat publicerades i Astrofysiska tidskriftsbrev den 23 mars, 2021.
