Med hjälp av SPIRou-spektropolarimetern på Kanada-Frankrike-Hawaii-teleskopet på Hawaii, ett team ledd av Stefan Pelletier, en doktorand vid Université de Montréals Institute for Research on Exoplanets (iREx), studerade atmosfären hos den gasjätte exoplaneten Tau Boötis b, en brännande het värld som tar bara tre dagar att kretsa runt sin värdstjärna.

Deras detaljerade analys, presenteras i en tidning som publicerades idag i Astronomisk tidskrift , visar att atmosfären på den gasformiga planeten innehåller kolmonoxid, som förväntat, men förvånansvärt nog inget vatten, en molekyl som ansågs vara utbredd och som borde ha varit lätt att detektera med SPIRou.

Tau Boötis b är en planet som är 6,24 gånger mer massiv än Jupiter och åtta gånger närmare sin moderstjärna än Merkurius är solen. Ligger bara 51 ljusår från jorden och 40 procent mer massiv än solen, dess stjärna, Tau Boötis, är en av de ljusaste kända planetbärande stjärnorna, och är synlig för blotta ögat i stjärnbilden Boötes.

Tau Boötis b var en av de första exoplaneter som någonsin upptäckts, 1996, tack vare den radiella hastighetsmetoden, som upptäcker den lätta fram- och tillbakarörelsen hos en stjärna som genereras av dess planets gravitationsdrag. Dess atmosfär hade studerats en handfull gånger tidigare, men aldrig med ett instrument så kraftfullt som SPIRou för att avslöja dess molekylära innehåll.

Letar efter vatten

Om vi ​​antar att Tau Boötis b bildas i en protoplanetarisk skiva med en sammansättning som liknar den i vårt solsystem, modeller visar att vattenånga bör finnas i stora mängder i dess atmosfär. Det borde alltså ha varit lätt att upptäcka med ett instrument som SPIRou.

"Vi förväntade oss en kraftig detektering av vatten, med kanske lite kolmonoxid, " förklarade Pelletier. "Vi var, dock, förvånad över att hitta motsatsen:kolmonoxid, men inget vatten."

Teamet arbetade hårt för att säkerställa att resultaten inte kunde hänföras till problem med instrumentet eller analysen av data.

"När vi väl övertygade oss själva om att innehållet av vatten verkligen var mycket lägre än förväntat på Tau Boötis b, vi kunde börja leta efter bildningsmekanismer som kunde förklara detta, sa Pelletier.

Studerar heta Jupiters för att bättre förstå Jupiter och Saturnus

"Het Jupiters som Tau Boötis b erbjuder en oöverträffad möjlighet att undersöka jätteplanetbildning", sa medförfattaren Björn Benneke, en astrofysikprofessor och Pelletiers doktorandhandledare vid UdeM. "Planetens sammansättning ger ledtrådar om var och hur denna jätteplanet bildades."

Nyckeln till att avslöja bildningsplatsen och mekanismen för jätteplaneter är präglad i deras molekylära atmosfäriska sammansättning. Den extrema temperaturen hos heta Jupiters gör att de flesta molekyler i deras atmosfärer kan vara i gasform, och därför detekterbar med nuvarande instrument. Astronomer kan alltså exakt mäta innehållet i sina atmosfärer.

"I vårt solsystem, Jupiter och Saturnus är riktigt kalla, ", sa Benneke. "Vissa molekyler som vatten är frusna och gömda djupt i deras atmosfärer; Således, vi har mycket dålig kunskap om deras överflöd. Att studera heta Jupiters ger ett sätt att bättre förstå våra egna jätteplaneter. Den låga mängden vatten på Tau Boötis b kan innebära att vår egen Jupiter också är torrare än vi tidigare trott."

SPIRou:Ett unikt instrument

Tau Boötis b är en av de första planeterna som studerats med det nya SPIRou-instrumentet sedan det nyligen togs i bruk vid Kanada-Frankrike-Hawaii-teleskopet. Detta instrument har utvecklats av forskare från flera vetenskapliga institutioner inklusive UdeM.

"Denna spektropolarimeter kan analysera planetens termiska ljus - ljuset som sänds ut av planeten själv - i ett aldrig tidigare skådat stort färgspektrum, och med en upplösning som möjliggör identifiering av många molekyler samtidigt:vatten, kolmonoxid, metan, etc." sa medförfattaren och iREx-forskaren Neil Cook, en expert på SPIRou-instrumentet.

Teamet tillbringade 20 timmar med att observera exoplaneten med SPIRou mellan april 2019 och juni 2020.

"Vi mätte mängden av alla större molekyler som innehåller antingen kol eller syre, " sade Pelletier. "Eftersom de är de två vanligaste elementen i universum, efter väte och helium, det ger oss en mycket komplett bild av atmosfärens innehåll."

Som de flesta planeter, Tau Boötis b passerar inte framför sin stjärna när den kretsar runt den, ur jordens synvinkel. Dock, studiet av exoplanetatmosfärer har mestadels begränsats till "transiterande" planeter - de som orsakar periodiska nedgångar i ljuset från sin stjärna när de skymmer en del av sitt ljus.

"Det är första gången som vi får så exakta mätningar på atmosfärens sammansättning av en icke-transiterande exoplanet, sa doktoranden Caroline Piaulet, en medförfattare till studien.

"Detta arbete öppnar dörren för att i detalj studera atmosfären hos ett stort antal exoplaneter, även de som inte passerar sin stjärna."

En komposition som liknar Jupiter

Genom sin analys, Pelletier och hans kollegor kunde dra slutsatsen att Tau Boötis b:s atmosfäriska sammansättning har ungefär fem gånger så mycket kol som det som finns i solen, kvantiteter liknande de som uppmätts för Jupiter.

Detta kan tyda på att heta Jupiters kan bildas mycket längre från sin värdstjärna, på avstånd som liknar jätteplaneterna i vårt solsystem, och har helt enkelt upplevt en annan utveckling, vilket inkluderade en migration mot stjärnan.

"Enligt vad vi hittade för Tau Boötis b, det verkar som, åtminstone kompositionsmässigt, heta Jupiters kanske inte är så olik våra egna jätteplaneter i solsystemet trots allt, avslutade Pelletier.