University of Warwicks astronomer har visat att vattenånga potentiellt kan upptäckas i exoplaneternas atmosfärer genom att bokstavligen titta över toppen av deras ogenomträngliga moln.

Genom att tillämpa tekniken på modeller baserade på kända exoplaneter med moln har teamet i princip visat att högupplöst spektroskopi kan användas för att undersöka atmosfärerna hos exoplaneter som tidigare var för svåra att karakterisera på grund av moln som är för täta för att tillräckligt ljus ska passera genom.

Deras teknik beskrivs i en artikel för Monthly Notices of the Royal Astronomical Society och tillhandahåller en annan metod för att upptäcka närvaron av vattenånga i en exoplanets atmosfär – såväl som andra kemiska arter som skulle kunna användas i framtiden för att bedöma potentiella tecken på liv . Forskningen fick finansiering från Science and Technologies Facilities Council (STFC), del av UK Research and Innovation (UKRI).

Astronomer använder ljus från en planets värdstjärna för att lära sig vad dess atmosfär består av. När planeten passerar framför stjärnan observerar de överföringen av stjärnljuset när det skummar genom den övre atmosfären och ändrar dess spektrum. De kan sedan analysera detta spektrum för att titta på våglängder som har spektrala signaturer för specifika kemikalier. Dessa kemikalier, som vattenånga, metan och ammoniak, finns bara i spårmängder i dessa väte- och heliumrika planeter.

Dock, täta moln kan blockera ljuset från att passera genom atmosfären, lämnar astronomer med ett spektrum utan särdrag. Högupplöst spektroskopi är en relativt ny teknik som används i markbaserade observatorier för att observera exoplaneter mer i detalj, och Warwick-forskarna ville undersöka om denna teknik kunde användas för att detektera spårkemikalier som finns i det tunna atmosfäriska lagret precis ovanför dessa moln.

Medan astronomer har kunnat karakterisera atmosfären hos många större och hetare exoplaneter som kretsar nära deras stjärnor, kallas "heta Jupiters, " Mindre exoplaneter upptäcks nu vid kallare temperaturer (mindre än 700°C). Många av dessa planeter, som är lika stora som Neptunus eller mindre, har visat mycket tjockare moln.

De modellerade två tidigare kända "varma Neptunes" och simulerade hur ljuset från deras stjärna skulle detekteras av en högupplöst spektrograf. GJ3470b är en molnig planet som astronomer tidigare hade kunnat karakterisera, medan GJ436b har varit svårare att karakterisera på grund av ett mycket tjockare molnlager. Båda simuleringarna visade att man med hög upplösning kan upptäcka kemikalier som vattenånga, ammoniak och metan lätt med bara några nätters observationer med ett markbaserat teleskop.

Tekniken fungerar annorlunda än den metod som nyligen använts för att detektera fosfin på Venus, men skulle potentiellt kunna användas för att söka efter vilken typ av molekyl som helst i molnen på en planet utanför vårt solsystem, inklusive fosfin.

Huvudförfattaren Dr. Siddharth Gandhi vid institutionen för fysik vid University of Warwick sa:"Vi har undersökt om markbaserad högupplöst spektroskopi kan hjälpa oss att begränsa höjden i atmosfären där vi har moln, och begränsar kemiska överflöd trots dessa moln. Vad vi ser är att många av dessa planeter har vattenånga på sig, och vi börjar se andra kemikalier också, men molnen hindrar oss från att se dessa molekyler tydligt. Vi behöver ett sätt att upptäcka dessa arter och högupplöst spektroskopi är ett potentiellt sätt att göra det, även om det är en grumlig atmosfär. De kemiska överflöden kan berätta ganska mycket om hur planeten kan ha bildats eftersom den lämnar sitt kemiska fingeravtryck på molekylerna i atmosfären. Eftersom dessa är gasjättar, att detektera molekylerna på toppen av atmosfären erbjuder också ett fönster in i den inre strukturen eftersom gaserna blandas med de djupare lagren."

Majoriteten av observationer av exoplaneter har gjorts med hjälp av rymdbaserade teleskop som Hubble eller Spitzer, och deras upplösning är för låg för att upptäcka tillräcklig signal ovanför molnen. Fördelen med högupplöst spektroskopi är att den kan undersöka ett bredare höjdområde.

Dr. Gandhi tillägger:"Ganska många av dessa svalare planeter är alldeles för molniga för att få några meningsfulla begränsningar med den nuvarande generationen av rymdteleskop. Förmodligen kommer det att bli fler molniga planeter när vi hittar fler och fler planeter, så det börjar bli riktigt viktigt att upptäcka vad som finns på dem. Markbaserad högupplöst spektroskopi såväl som nästa generations rymdteleskop kommer att kunna detektera dessa spårarter på molniga planeter, erbjuder spännande potential för biosignaturer i framtiden."

Medförfattare Dr Matteo Brogi, från University of Warwick Department of Physics, sa:"Trots att planeter med mellanstorlek mellan jorden och Neptunus är de vanligaste i vår galax, vårt solsystem är inte värd för någon av dem. Att kunna bestämma naturen hos dessa exoplaneter gör att vi bättre kan placera vårt solsystem i sitt sammanhang, som för oss ett steg närmare att reda ut mysteriet med vårt ursprung."