Een team van astronomen onder leiding van AIP Ph.D. student Engin Keles ontdekte het chemische element kalium in de atmosfeer van een exoplaneet, voor het eerst met overweldigende betekenis en met toepassing van hoge resolutie spectroscopie. Het Potsdam Echelle Polarimetrisch en Spectroscopisch Instrument (PEPSI) van de Large Binocular Telescope (LBT) in Arizona werd gebruikt om de atmosfeer op de Jupiter-achtige exoplaneet HD189733b te bestuderen.

Sinds de vroegste theoretische voorspellingen 20 jaar geleden, de chemische elementen kalium en natrium waren naar verwachting detecteerbaar in atmosferen van "hete Jupiters, " gasvormige planeten met temperaturen van een paar duizend Kelvin die dicht rond verre sterren draaien. Terwijl natrium al vroeg werd gedetecteerd met waarnemingen met hoge resolutie, kalium was niet, die een puzzel voor atmosferische chemie en fysica creëerde.

De elementen kunnen worden ontdekt door het lichtspectrum van de thuisster te analyseren wanneer de planeet ervoor passeert, gezien vanaf de aarde. Verschillende elementen veroorzaken specifieke absorptiesignalen in het spectrum, donkere lijnen, die wijzen op de chemische samenstelling van de atmosfeer. Echter, de aanwezigheid van wolken in hete Jupiter-atmosferen verzwakt sterk alle spectrale absorptiekenmerken en maakt ze dus erg moeilijk te detecteren. Zelfs voor HD189733b, de best bestudeerde hete Jupiter, tot dusver hadden wetenschappers slechts een zeer vage en onnauwkeurige kennis van de kaliumopname. de exoplaneet, 64 lichtjaar verwijderd en ongeveer zo groot als Jupiter, draait in 53 uur om zijn thuisster - een rode reus - en is 30 keer dichter bij de ster dan de aarde bij de zon. Het had het lichtverzamelende vermogen van de 2x8 nodig, 4m LBT en de hoge spectrale resolutie van PEPSI om kalium voor het eerst met hoge resolutie te meten in atmosferische lagen boven de wolken. Met deze nieuwe metingen onderzoekers kunnen nu de absorptiesignalen van kalium en natrium vergelijken en zo meer te weten komen over processen zoals condensatie of foto-ionisatie in deze exoplaneetatmosferen.

De techniek die voor dit onderzoek bij LBT is toegepast heet transmissiespectroscopie. Het vereist dat de exoplaneet voor de gastster door beweegt. "We hebben tijdens de transit een tijdreeks van lichtspectra genomen en de absorptiediepte vergeleken, " zegt de hoofdauteur van de studie, Engin Keles, doctoraat student aan AIP in de groep Stellar Physics and Exoplanets. "Tijdens het vervoer we ontdekten toen de kaliumsignatuur, die voor en na de doorvoer verdwenen, zoals verwacht, wat aangeeft dat de absorptie wordt veroorzaakt door de planetaire atmosfeer." Onderzoeken door andere teams hebben al geprobeerd kalium op dezelfde exoplaneet te detecteren, echter, ofwel niets werd gevonden of wat werd gevonden was te zwak om statistisch significant te zijn. Tot nu toe is er voor geen enkele exoplaneet een significante detectie van kalium geweest in waarnemingen met hoge resolutie.

"Onze waarnemingen hebben duidelijk de doorbraak veroorzaakt", benadrukt projectmedeleider Dr. Matthias Mallonn, die is gedetacheerd door PEPSI's hoofdonderzoeker Prof. Klaus Strassmeier:"PEPSI is zeer geschikt voor deze taak vanwege de hoge spectrale resolutie die het mogelijk maakt om meer fotonen per pixel te verzamelen uit zeer smalle spectraallijnen dan welke andere telescoop-spectrograafcombinatie dan ook." "Zowel als spectrograaf en als spectropolarimeter, PEPSI heeft al een belangrijke bijdrage geleverd aan de stellaire fysica, " voegt Christian Veillet toe, Directeur van het LBT Observatorium. "Deze sterke detectie van kalium in de atmosfeer van een exoplaneet maakt van PEPSI een geweldig hulpmiddel voor de karakterisering van exoplaneten en een unieke aanwinst voor de leden van de LBT-gemeenschap."