Met behulp van de SPIRou-spectropolarimeter op de Canada-France-Hawaii Telescope in Hawaï, een team onder leiding van Stefan Pelletier, een promovendus aan het Institute for Research on Exoplanets (iREx) van de Université de Montréal, bestudeerde de atmosfeer van de gasreus exoplaneet Tau Boötis b, een verzengend hete wereld die slechts drie dagen nodig heeft om om zijn ster te draaien.

Hun gedetailleerde analyse, gepresenteerd in een paper dat vandaag is gepubliceerd in de Astronomisch tijdschrift , laat zien dat de atmosfeer van de gasplaneet koolmonoxide bevat, zoals verwacht, maar verrassend genoeg geen water, een molecuul waarvan werd gedacht dat het veel voorkwam en dat gemakkelijk detecteerbaar zou moeten zijn met SPIRou.

Tau Boötis b is een planeet die 6,24 keer massiever is dan Jupiter en acht keer dichter bij zijn moederster dan Mercurius bij de zon. Gelegen op slechts 51 lichtjaar van de aarde en 40 procent massiever dan de zon, zijn ster, Tau Boötis, is een van de helderste bekende planeetdragende sterren, en is met het blote oog zichtbaar in het sterrenbeeld Boötes.

Tau Boötis b was een van de eerste exoplaneten ooit ontdekt, in 1996, dankzij de radiale snelheidsmethode, die de lichte heen-en-weer beweging van een ster detecteert die wordt gegenereerd door de zwaartekracht van zijn planeet. De atmosfeer was al een paar keer eerder bestudeerd, maar nooit met een instrument zo krachtig als SPIRou om zijn moleculaire inhoud te onthullen.

Op zoek naar water

Ervan uitgaande dat Tau Boötis b gevormd is in een protoplanetaire schijf met een samenstelling die vergelijkbaar is met die van ons zonnestelsel, modellen laten zien dat waterdamp in grote hoeveelheden in de atmosfeer aanwezig moet zijn. Het zou dus gemakkelijk te detecteren moeten zijn met een instrument als SPIRou.

"We verwachtten een sterke detectie van water, met misschien een beetje koolmonoxide, " legde Pelletier uit. "We waren, echter, verrast om het tegenovergestelde te ontdekken:koolmonoxide, maar geen water."

Het team heeft hard gewerkt om ervoor te zorgen dat de resultaten niet konden worden toegeschreven aan problemen met het instrument of de analyse van de gegevens.

"Toen we er eenmaal van overtuigd waren dat het watergehalte inderdaad veel lager was dan verwacht op Tau Boötis b, konden we gaan zoeken naar vormingsmechanismen die dit zouden kunnen verklaren, ’ zei Pelletier.

Hete Jupiters bestuderen om Jupiter en Saturnus beter te begrijpen

"Hete Jupiters zoals Tau Boötis b bieden een ongekende kans om de vorming van reuzenplaneten te onderzoeken", zei co-auteur Björn Benneke, een professor in de astrofysica en Pelletier's PhD-supervisor bij UdeM. "De samenstelling van de planeet geeft aanwijzingen over waar en hoe deze gigantische planeet is ontstaan."

De sleutel tot het onthullen van de formatieplaats en het mechanisme van reuzenplaneten is ingeprent in hun moleculaire atmosferische samenstelling. De extreme temperatuur van hete Jupiters zorgt ervoor dat de meeste moleculen in hun atmosfeer in gasvorm zijn, en dus detecteerbaar met de huidige instrumenten. Astronomen kunnen zo nauwkeurig de inhoud van hun atmosferen meten.

"In ons zonnestelsel, Jupiter en Saturnus zijn echt koud, " zei Benneke. "Sommige moleculen zoals water zijn bevroren en diep verborgen in hun atmosfeer; dus, we hebben een zeer slechte kennis van hun overvloed. Het bestuderen van hete Jupiters biedt een manier om onze eigen reuzenplaneten beter te begrijpen. De lage hoeveelheid water op Tau Boötis b zou kunnen betekenen dat onze eigen Jupiter ook droger is dan we eerder hadden gedacht."

SPIRou:Een uniek instrument

Tau Boötis b is een van de eerste planeten die met het nieuwe SPIRou-instrument is bestudeerd sinds het onlangs in gebruik werd genomen door de Canada-France-Hawaii Telescope. Dit instrument is ontwikkeld door onderzoekers van verschillende wetenschappelijke instellingen, waaronder UdeM.

"Deze spectropolarimeter kan het thermische licht van de planeet analyseren - het licht dat door de planeet zelf wordt uitgezonden - in een ongekend groot aantal kleuren, en met een resolutie die de identificatie van veel moleculen tegelijk mogelijk maakt:water, koolmonoxide, methaan, enz." zei co-auteur en iREx-onderzoeker Neil Cook, een expert op het SPIRou-instrument.

Het team besteedde tussen april 2019 en juni 2020 20 uur aan het observeren van de exoplaneet met SPIRou.

"We hebben de overvloed gemeten van alle belangrijke moleculen die koolstof of zuurstof bevatten, "zei Pelletier. "Omdat ze de twee meest voorkomende elementen in het universum zijn, na waterstof en helium, dat geeft ons een heel compleet beeld van de inhoud van de atmosfeer."

Zoals de meeste planeten, Tau Boötis b gaat niet voor zijn ster langs als hij eromheen draait, vanuit het oogpunt van de aarde. Echter, de studie van de atmosferen van exoplaneten is meestal beperkt gebleven tot "overtrekkende" planeten - die planeten die periodieke dips in het licht van hun ster veroorzaken wanneer ze een deel van hun licht verduisteren.

"Het is de eerste keer dat we zulke nauwkeurige metingen krijgen van de atmosferische samenstelling van een niet-transiterende exoplaneet, " zei promovendus Caroline Piaulet, een co-auteur van de studie.

"Dit werk opent de deur naar een gedetailleerde studie van de atmosferen van een groot aantal exoplaneten, zelfs degenen die hun ster niet passeren."

Een compositie vergelijkbaar met Jupiter

Door hun analyse, Pelletier en zijn collega's konden concluderen dat de atmosferische samenstelling van Tau Boötis b ongeveer vijf keer zoveel koolstof bevat als die in de zon, hoeveelheden vergelijkbaar met die gemeten voor Jupiter.

Dit kan een aanwijzing zijn dat hete Jupiters zich veel verder van hun gastheerster zouden kunnen vormen, op afstanden die vergelijkbaar zijn met de reuzenplaneten in ons zonnestelsel, en gewoon een andere evolutie hebben meegemaakt, die een migratie naar de ster omvatte.

"Volgens wat we voor Tau Boötis b hebben gevonden, het lijkt erop dat, qua compositie tenminste, hete Jupiters zijn misschien niet zo verschillend van onze eigen reuzenplaneten in het zonnestelsel, ’ concludeerde Pelletier.