Ett team av astronomer ledda av AIP Ph.D. Student Engin Keles upptäckte det kemiska grundämnet kalium i atmosfären på en exoplanet, för första gången med överväldigande betydelse och med högupplöst spektroskopi. Potsdam Echelle Polarimetric and Spectroscopic Instrument (PEPSI) vid Large Binocular Telescope (LBT) i Arizona användes för att studera atmosfären på den Jupiterliknande exoplaneten HD189733b.

Ända sedan de tidigaste teoretiska förutsägelserna för 20 år sedan, de kemiska grundämnena kalium och natrium förväntades kunna detekteras i atmosfärer av "heta Jupiters, " gasformiga planeter med temperaturer på några tusen Kelvin som kretsar tätt runt långt borta stjärnor. Medan natrium upptäcktes med högupplösta observationer redan tidigt, kalium var inte, som skapade ett pussel för atmosfärisk kemi och fysik.

Grundämnena kan upptäckas genom att analysera hemstjärnans ljusspektrum när planeten passerar framför den sett från jorden. Olika element orsakar specifika absorptionssignaler i spektrumet, mörka linjer, som antyder atmosfärens kemiska sammansättning. Dock, förekomsten av moln i heta Jupiteratmosfärer försvagar kraftigt alla spektrala absorptionsegenskaper och gör dem därför mycket svåra att upptäcka. Även för HD189733b, den bäst studerade heta Jupiter, hittills hade forskare endast en mycket vag och oprecis kunskap om kaliumabsorptionen. exoplaneten, 64 ljusår bort och ungefär lika stor som Jupiter, kretsar om sin hemstjärna - en röd jätte - på 53 timmar och är 30 gånger närmare den än jorden till solen. Den behövde ljusinsamlingsförmågan hos 2x8, 4m LBT och den höga spektrala upplösningen av PEPSI för att definitivt mäta kalium för första gången vid hög upplösning i atmosfäriska lager ovanför molnen. Med dessa nya mätningar, Forskare kan nu jämföra absorptionssignalerna för kalium och natrium och på så sätt lära sig mer om processer som kondensation eller fotojonisering i dessa exoplanetatmosfärer.

Tekniken som användes för denna studie vid LBT kallas transmissionsspektroskopi. Det kräver att exoplaneten passerar framför värdstjärnan. "Vi tog en tidsserie av ljusspektra under transiteringen och jämförde absorptionsdjupet, " säger huvudförfattaren till studien, Engin Keles, Ph.D. student på AIP i gruppen Stellar Physics and Exoplanets. "Under transitering, vi upptäckte sedan kaliumsignaturen, som försvann före och efter transitering som förväntat, vilket indikerar att absorptionen induceras av planetatmosfären." Undersökningar av andra lag har redan försökt detektera kalium på samma exoplanet, dock, antingen hittades ingenting eller så var det som hittades för svagt för att vara statistiskt signifikant. Hittills har det inte funnits någon signifikant detektering av kalium i högupplösta observationer för någon exoplanet.

"Våra observationer gjorde helt klart genombrottet" betonar projektmedledaren Dr Matthias Mallonn, som är utstationerad av PEPSI:s huvudutredare Prof. Klaus Strassmeier:"PEPSI är väl lämpad för denna uppgift på grund av sin höga spektrala upplösning som tillåter insamling av fler fotoner per pixel från mycket smala spektrallinjer än någon annan kombination av teleskop-spektrograf." "Både som en spektrograf och som en spektropolarimeter, PEPSI har redan gett betydande bidrag till stjärnornas fysik, " tillägger Christian Veillet, LBT-observatoriets direktör. "Denna starka detektering av kalium i atmosfären på en exoplanet etablerar PEPSI som ett fantastiskt verktyg för exoplanetkarakterisering såväl som en unik tillgång för medlemmarna i LBT-gemenskapen."