Astronomen van de University of Warwick hebben aangetoond dat waterdamp potentieel kan worden gedetecteerd in de atmosferen van exoplaneten door letterlijk over de toppen van hun ondoordringbare wolken te kijken.

Door de techniek toe te passen op modellen die zijn gebaseerd op bekende exoplaneten met wolken, heeft het team in principe aangetoond dat spectroscopie met hoge resolutie kan worden gebruikt om de atmosferen van exoplaneten te onderzoeken die voorheen te moeilijk te karakteriseren waren vanwege wolken die te dicht zijn om voldoende licht door te laten. door.

Hun techniek wordt beschreven in een paper voor de Monthly Notices of the Royal Astronomical Society en biedt een andere methode voor het detecteren van de aanwezigheid van waterdamp in de atmosfeer van een exoplaneet, evenals andere chemische soorten die in de toekomst zouden kunnen worden gebruikt om mogelijke tekenen van leven te beoordelen. . Het onderzoek ontving financiering van de Science and Technologies Facilities Council (STFC), onderdeel van UK Research and Innovation (UKRI).

Astronomen gebruiken licht van de gastster van een planeet om te ontdekken waaruit de atmosfeer is samengesteld. Terwijl de planeet voor de ster passeert, observeren ze de transmissie van het stellaire licht terwijl het door de bovenste atmosfeer scheert en het spectrum verandert. Ze kunnen dit spectrum vervolgens analyseren om te kijken naar golflengten die spectrale handtekeningen hebben voor specifieke chemicaliën. Deze chemicaliën, zoals waterdamp, methaan en ammoniak, zijn slechts in sporenhoeveelheden aanwezig op deze waterstof- en heliumrijke planeten.

Echter, dichte wolken kunnen voorkomen dat licht door de atmosfeer gaat, astronomen achterlatend met een spectrum zonder kenmerken. Hoge resolutie spectroscopie is een relatief recente techniek die wordt gebruikt in observatoria op de grond om exoplaneten in meer detail te observeren, en de Warwick-onderzoekers wilden onderzoeken of deze technologie kan worden gebruikt om de sporenchemicaliën te detecteren die aanwezig zijn in de dunne atmosferische laag direct boven die wolken.

Hoewel astronomen de atmosferen hebben kunnen karakteriseren van veel grotere en hetere exoplaneten die dicht bij hun sterren draaien, genaamd "hete Jupiters, "Er worden nu kleinere exoplaneten ontdekt bij lagere temperaturen (minder dan 700°C). Veel van deze planeten, die de grootte hebben van Neptunus of kleiner, hebben een veel dikkere wolk laten zien.

Ze modelleerden twee eerder bekende 'warme Neptunus' en simuleerden ze hoe het licht van hun ster zou worden gedetecteerd door een spectrograaf met hoge resolutie. GJ3470b is een bewolkte planeet die astronomen eerder hadden kunnen karakteriseren, terwijl GJ436b moeilijker te karakteriseren was vanwege een veel dikkere wolkenlaag. Beide simulaties toonden aan dat je met een hoge resolutie chemicaliën zoals waterdamp, ammoniak en methaan gemakkelijk met slechts een paar nachten observaties met een telescoop op de grond.

De techniek werkt anders dan de methode die recentelijk is gebruikt om fosfine op Venus te detecteren, maar kan mogelijk worden gebruikt om naar elk type molecuul te zoeken in de wolken van een planeet buiten ons zonnestelsel, inclusief fosfine.

Hoofdauteur Dr. Siddharth Gandhi van de afdeling Natuurkunde aan de Universiteit van Warwick zei:"We hebben onderzocht of op de grond gebaseerde spectroscopie met hoge resolutie ons kan helpen de hoogte in de atmosfeer te beperken waar we wolken hebben, en beperken chemische abundanties ondanks die wolken. Wat we zien is dat veel van deze planeten waterdamp bevatten, en we beginnen ook andere chemicaliën te zien, maar de wolken zorgen ervoor dat we deze moleculen niet duidelijk kunnen zien. We hebben een manier nodig om deze soorten te detecteren en hoge resolutie spectroscopie is een mogelijke manier om dat te doen, zelfs als er een bewolkte atmosfeer is. De chemische overvloed kan je heel veel vertellen over hoe de planeet gevormd kan zijn, omdat het zijn chemische vingerafdruk achterlaat op de moleculen in de atmosfeer. Omdat dit gasreuzen zijn, het detecteren van de moleculen aan de bovenkant van de atmosfeer biedt ook een venster op de interne structuur terwijl de gassen zich vermengen met de diepere lagen."

De meeste waarnemingen van exoplaneten zijn gedaan met ruimtetelescopen zoals Hubble of Spitzer, en hun resolutie is te laag om voldoende signaal van boven de wolken te detecteren. Het voordeel van spectroscopie met hoge resolutie is dat het in staat is om een ​​groter bereik aan hoogten te meten.

Dr. Gandhi voegt toe:"Veel van deze koelere planeten zijn veel te bewolkt om enige betekenisvolle beperkingen te krijgen met de huidige generatie ruimtetelescopen. Naarmate we meer en meer planeten vinden, zullen er waarschijnlijk meer bewolkte planeten zijn, dus het wordt heel belangrijk om te detecteren wat erop staat. Hoge resolutie spectroscopie op de grond en de volgende generatie ruimtetelescopen zullen deze sporensoorten op bewolkte planeten kunnen detecteren, biedt een opwindend potentieel voor biosignaturen in de toekomst."

Co-auteur Dr. Matteo Brogi, van de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Warwick, zei:"Ondanks dat planeten met een gemiddelde grootte tussen de aarde en Neptunus de meest voorkomende zijn in onze Melkweg, ons zonnestelsel herbergt geen van hen. Door de aard van deze exoplaneten te kunnen bepalen, kunnen we ons zonnestelsel beter in context plaatsen, wat ons een stap dichter bij het ontrafelen van het mysterie van onze oorsprong brengt."