Methangas auf einer fernen Welt einatmen

NASA‚S James Webb-Weltraumteleskop In der Atmosphäre wurde Methan nachgewiesen Exoplanet WASP-80 b, ein Meilenstein in der Weltraumforschung. Die durch fortschrittliche Lichtanalysemethoden bestätigte Entdeckung gibt Aufschluss über die Zusammensetzung des Planeten und ermöglicht Vergleiche mit Planeten in unserem Sonnensystem.

Das James-Webb-Weltraumteleskop der NASA beobachtete den Exoplaneten WASP-80 b, als er vor und hinter seinem Mutterstern vorbeizog, und enthüllte Spektren, die auf das Vorhandensein einer Atmosphäre mit Methan und Wasserdampf hinweisen. Während bisher auf mehr als einem Dutzend Planeten Wasserdampf nachgewiesen wurde, konnte Methan, ein Molekül, das in der Atmosphäre des Planeten reichlich vorhanden ist, bis vor Kurzem nicht entdeckt werden. der Jupiter, Saturn, UranusUnd Neptun In unserem Sonnensystem blieben sie bei der Untersuchung mittels Weltraumspektroskopie in den Atmosphären vorbeiziehender Exoplaneten schwer fassbar.

Taylor Bell vom Bay Area Environmental Research Institute (BAERI) mit Sitz am Ames Research Center der NASA im kalifornischen Silicon Valley und Lewis Wilbanks von der Arizona State University erzählen uns mehr über die Bedeutung des Nachweises von Methan in der äußeren Atmosphäre von Exoplaneten Besprechen Sie, wie es die Beobachtung von Methan in der Atmosphäre von Exoplaneten erleichtert hat. Identifizierung dieses lang erwarteten Moleküls. Diese Ergebnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

„Warmer Jupiter“ WASP-80 B verstehen

„Mit einer Temperatur von etwa 825 K (etwa 1025 Grad). F), WASP-80 b ist das, was Wissenschaftler „warme Jupiter“ nennen, Planeten, die in Größe und Masse dem Jupiter in unserem Sonnensystem ähneln, deren Temperatur jedoch zwischen denen heißer Jupiter liegt, beispielsweise 1.450 Grad Celsius. K (2.150 °F) HD 209458 b (der erste Exoplanet, der entdeckt wurde) und kalte Jupiter wie unserer haben eine Temperatur von etwa 125 K (235). °F). WASP-80 b umkreist seinen roten Zwergstern alle drei Tage und befindet sich 163 Lichtjahre von uns entfernt im Sternbild Geier. Da der Planet seinem Stern so nahe ist und beide so weit von uns entfernt sind, können wir den Planeten selbst mit den fortschrittlichsten Teleskopen wie Webb nicht direkt sehen. Stattdessen untersuchen Forscher das kombinierte Licht des Sterns und des Planeten mithilfe der Transitmethode (die zur Entdeckung der meisten bekannten Exoplaneten verwendet wurde) und der Finsternismethode.

Innovative Überwachungstechnologien

Mit der Transitmethode beobachteten wir das System, als sich der Planet aus unserer Perspektive vor seinem Stern bewegte, wodurch das Sternenlicht, das wir sehen, leicht schwächer wurde. Es ist, als würde jemand an der Lampe vorbeigehen und das Licht schwächer werden. Während dieser Zeit beleuchtet der Stern einen dünnen Ring der Planetenatmosphäre rund um die Tag-Nacht-Grenze des Planeten. Bei bestimmten Lichtfarben, bei denen Moleküle in der Atmosphäre des Planeten das Licht absorbieren, erscheint die Atmosphäre dicker und blockiert mehr Sternenlicht. Dies führt zu einer stärkeren Undurchsichtigkeit im Vergleich zu anderen Wellenlängen, bei denen die Atmosphäre transparent erscheint. Diese Methode hilft Wissenschaftlern wie uns, die Bestandteile der Atmosphäre eines Planeten zu verstehen, indem sie sehen, welche Farben des Lichts verdeckt sind.

Unterdessen beobachteten wir mithilfe der Finsternismethode das System, während der Planet aus unserer Perspektive hinter seinem Stern vorbeizog, was zu einem weiteren leichten Rückgang des Gesamtlichts führte, das wir empfingen. Alle Objekte senden etwas Licht aus, das als Wärmestrahlung bezeichnet wird. Die Intensität und Farbe des emittierten Lichts hängt davon ab, wie heiß das Objekt ist. Kurz vor und nach der Sonnenfinsternis ist die heiße Tagesseite des Planeten auf uns gerichtet, und durch die Messung des Lichtabfalls während der Sonnenfinsternis konnten wir das vom Planeten ausgehende Infrarotlicht messen. Bei Sonnenfinsternisspektren zeigt sich die Absorption durch Moleküle in der Atmosphäre eines Planeten typischerweise als Abnahme des vom Planeten bei bestimmten Wellenlängen emittierten Lichts. Da der Planet außerdem viel kleiner und kühler ist als sein Mutterstern, ist die Tiefe der Sonnenfinsternis viel geringer als die Tiefe des Transits.

Gemessenes Transitspektrum (oben) und Finsternisspektrum (unten) von WASP-80 b aus dem spaltlosen Spektroskopiemodus von NIRCam am James Webb-Weltraumteleskop der NASA. In beiden Spektren gibt es klare Hinweise auf die Absorption von Wasser und Methan, deren Beiträge durch farbige Linien gekennzeichnet sind. Während eines Transits zieht der Planet vor dem Stern vorbei, und im Transitspektrum führt die Anwesenheit von Partikeln dazu, dass die Atmosphäre des Planeten mehr Licht bei bestimmten Farben blockiert, was zu einer stärkeren Abschwächung bei diesen Wellenlängen führt. Während einer Sonnenfinsternis zieht der Planet hinter dem Stern vorbei, und in diesem Sonnenfinsternisspektrum absorbieren Partikel einen Teil des vom Planeten in bestimmten Farben emittierten Lichts, was zu einem geringeren Helligkeitsabfall während einer Sonnenfinsternis führt als während eines Transits. Bildnachweis: PAYRI/NASA/Taylor Bell

Spektraldatenanalyse

Unsere anfänglichen Beobachtungen mussten in etwas umgewandelt werden, das wir Spektrum nennen; Dies ist im Grunde eine Messung, die zeigt, wie viel Licht von der Atmosphäre eines Planeten mit unterschiedlichen Lichtfarben (oder Wellenlängen) blockiert oder emittiert wird. Es gibt viele verschiedene Tools, um Rohbeobachtungen in nützliche Spektren umzuwandeln. Daher haben wir zwei verschiedene Methoden verwendet, um sicherzustellen, dass unsere Ergebnisse gegenüber unterschiedlichen Annahmen robust sind. Anschließend haben wir dieses Spektrum mithilfe zweier Modelltypen interpretiert, um zu simulieren, wie die Atmosphäre des Planeten unter diesen extremen Bedingungen aussehen würde. Der erste Modelltyp ist recht flexibel und experimentiert mit Millionen Kombinationen von Methan, Wasservorkommen und Temperatur, um die Kombination zu finden, die am besten zu unseren Daten passt. Der zweite Typ, „selbstkonsistente Modelle“ genannt, erforscht ebenfalls Millionen von Kombinationen, nutzt jedoch unser vorhandenes Wissen in Physik und Chemie, um die zu erwartenden Methan- und Wasserwerte zu bestimmen. Beide Modelltypen kommen zu dem gleichen Ergebnis: letztendliche Erkennung von Methan.

Um unsere Ergebnisse zu validieren, verwendeten wir robuste statistische Methoden, um die Wahrscheinlichkeit zu bewerten, dass es sich bei unserem Ergebnis um zufälliges Rauschen handelte. Als „Goldstandard“ betrachten wir in unserem Fachgebiet die sogenannte „5-Sigma-Erkennung“, was bedeutet, dass die Wahrscheinlichkeit einer Erkennung aufgrund von Zufallsrauschen 1 zu 1,7 Millionen beträgt. Gleichzeitig entdeckten wir Methan bei 6,1 Sigma sowohl im Transit- als auch im Sonnenfinsternisspektrum, was die Wahrscheinlichkeit einer falschen Entdeckung bei jeder Beobachtung auf 1 zu 942 Millionen festlegte, was den „Goldstandard“ von 5 Sigma übertraf und unser Vertrauen stärkte beide. Entdeckungen.

Auswirkungen auf die Methanerkennung

Mit dieser überzeugenden Entdeckung haben wir nicht nur ein schwer fassbares Molekül gefunden, sondern wir können jetzt auch damit beginnen zu erforschen, was uns diese chemische Struktur über die Geburt, das Wachstum und die Entwicklung des Planeten verrät. Indem wir beispielsweise die Menge an Methan und Wasser auf dem Planeten messen, können wir das Verhältnis von Kohlenstoffatomen zu Sauerstoffatomen ableiten. Dieses Verhältnis wird sich voraussichtlich ändern, je nachdem, wo und wann sich Planeten in ihrem System bilden. Daher kann die Untersuchung des Kohlenstoff-Sauerstoff-Verhältnisses Hinweise darauf geben, ob sich der Planet in der Nähe oder in weiter Entfernung von seinem Stern gebildet hat, bevor er sich allmählich nach innen bewegte.

Eine weitere Sache, die uns an dieser Entdeckung begeisterte, war die Möglichkeit, endlich Planeten außerhalb unseres Sonnensystems mit Planeten innerhalb unseres Sonnensystems zu vergleichen. Die NASA hat in der Vergangenheit Raumschiffe zu den Gasriesen unseres Sonnensystems geschickt, um die Menge an Methan und anderen Molekülen in ihrer Atmosphäre zu messen. Durch die Messung desselben Gases auf einem Exoplaneten können wir nun einen „Äpfel-zu-Äpfel“-Vergleich anstellen und sehen, ob die Vorhersagen aus dem Sonnensystem mit dem übereinstimmen, was wir außerhalb davon sehen.

Zukunftsaussichten mit dem James Webb-Weltraumteleskop

Während wir uns auf zukünftige Entdeckungen mit Webb freuen, zeigt uns dieses Ergebnis schließlich, dass wir kurz vor noch aufregenderen Entdeckungen stehen. Zusätzliche MIRI- und NIRCam-Beobachtungen von WASP-80 b mit Webb werden es uns ermöglichen, die Eigenschaften der Atmosphäre bei verschiedenen Lichtwellenlängen zu untersuchen. Unsere Ergebnisse lassen uns glauben, dass wir auch andere kohlenstoffreiche Moleküle wie Kohlenmonoxid und Kohlendioxid überwachen können, was uns in die Lage versetzen wird, ein umfassenderes Bild der Bedingungen zu zeichnen, die in der Atmosphäre dieses Planeten herrschen.

Wenn wir außerdem Methan und andere Gase auf Exoplaneten finden, werden wir unser Wissen darüber, wie Chemie und Physik unter anderen Bedingungen als auf der Erde und vielleicht bald auch auf anderen Planeten funktionieren, die denen hier ähneln, weiter erweitern. zu Hause. Eines ist klar: Eine Erkundungsreise mit dem James Webb-Weltraumteleskop ist voller potenzieller Überraschungen.

Referenz: „Methan in der Atmosphäre des warmen Exoplaneten WASP-80b“ von Taylor J. Bell, Lewis Wilbanks, Everett Schloein, Michael R. Lane, Jonathan J. Fortney, Thomas B. Green, Kazumasa Ono, Vivian Parmentier, Emily Rauscher , Thomas J. . Beattie, Sajnik Mukherjee, Lindsay S. Weiser, Martha L. Boyer, Marcia J. Ricky und John A. Stansbury, 22. November 2023, Natur.
doi: 10.1038/s41586-023-06687-0

Über die Autoren:

• Taylor Bell ist Postdoktorandin am Bay Area Environmental Research Institute (BAERI) und arbeitet am NASA Ames Research Center im Silicon Valley, Kalifornien.
• Lewis Wilbanks ist NASA Hubble Fellow an der Arizona State University in Tempe, Arizona.