Raskain tähän mennessä löydetty alkuaine eksoplaneetan ilmakehässä

eso2213 — Tiedejulkaisu

Tähtitieteilijät ovat löytäneet Euroopan eteläisen observatorion VLT-teleskoopin (Very Large Telescope) avulla eksoplaneetan ilmakehästä raskaimman toistaiseksi löydetyn alkuaineen - bariumin. Bariumin löytyminen korkealta erittäin kuumien kaasujättiläisten WASP-76 b ja WASP-121 b ilmakehistä oli yllätys. Nämä kaksi eksoplaneettaa ovat Aurinkokuntamme ulkopuolella tähtien kiertoradoilla olevia planeettoja. Tämä odottamaton löytö herättää kysymyksiä siitä, millaisia nämä eksoottiset ilmakehät voisivat olla.

Tässä taiteilijan tekemässä kuvassa näkyy erittäin kuuma aurinkokuntamme ulkopuolella oleva eksoplaneetta siirtymässä emotähtensä eteen. Kun tähden valo kulkee planeetan ilmakehän läpi, se suodattuu kulkiessaan kaasumaisen kerroksen alkuaineiden ja molekyylien läpi. Näiden alkuaineiden ja molekyylien aiheuttamat sormenjäljet voidaan havaita herkillä instrumenteilla maapallolta. Kuva ESO/M. Kornmesser.

"Hämmentävää on se, että miksi näiden planeettojen ilmakehän ylemmissä kerroksissa on niin raskaita alkuainetta?" sanoo Tomás Azevedo Silva, Porton yliopiston ja portugalilaisen Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaçon (IA) tohtoriopiskelija, joka johti tänään Astronomy & Astrophysics -lehdessä julkaistua tutkimusta.

WASP-76 b ja WASP-121 b eivät ole tavallisia eksoplaneettoja. Molemmat tunnetaan erittäin kuumina jupitereina, koska ne ovat kooltaan verrattavissa Jupiteriin. Niiden pintalämpötilat ovat erittäin korkeita, yli 1000 °C. Tämä johtuu niiden läheisyydestä isäntätähtiensä kanssa, mikä tarkoittaa myös sitä, että kiertorata kunkin tähden ympäri kestää vain yhdestä kahteen vuorokautta. Tämä tekee planeetoista melko eksoottisia, esimerkiksi WASP-76 b:ssä tähtitieteilijät epäilevät sateen olevan rautaa.

Mutta silti tutkijat yllättyivät löytäessään bariumia, joka on 2,5 kertaa raskaampaa kuin rauta, WASP-76 b:n ja WASP-121 b:n yläilmakehistä. "Planeettojen suuren gravitaation vuoksi odotimme raskaiden alkuaineiden, kuten bariumin putoavan nopeasti ilmakehän alempiin kerroksiin", selittää toinen kirjoittaja Olivier Demangeon, tutkija myös Porton yliopistosta ja IA:sta.

"Tämä oli tavallaan "vahingossa" tehty löytö”, Azevedo Silva sanoo. "Emme odottaneet tai etsineet erityisesti bariumia, ja meidän piti tarkistaa, että se todella oli peräisin planeetalta, koska sitä ei ollut koskaan aiemmin nähty missään eksoplaneetassa.”

Se tosiasia, että bariumia havaittiin näiden molempien ultrakuumien jupiterien ilmakehissä, viittaa siihen, että tämä planeettaluokka saattaa olla vieläkin oudompia kuin aiemmin ajateltiin. Vaikka näemme joskus omalla taivaallamme bariumia ilotulitteiden kirkkaanvihreänä värinä, tiedemiehille kysymys on, mikä luonnollinen prosessi voisi saada tämän raskaan alkuaineen olemaan niin korkealla näillä eksoplaneetoilla. "Tällä hetkellä emme ole varmoja, mitkä mekanismit taustalla ovat", Demangeon selittää.

Tämä kuva esittää näkymän eksoplaneetta WASP-76 b:n yöpuolta. Erittäin kuumalla jättiläiseksoplaneetalla on päiväpuoli, jossa lämpötilat nousevat yli 2400 celsiusasteen, joka on riittävän korkea jopa metallien höyrystämiseen. Voimakkaat tuulet kuljettavat rautahöyryä viileämmän yön puolelle, jossa se tiivistyy rautapisaroiksi. Kuvan vasemmalla puolella näemme eksoplaneetan iltarajan, jossa näkymä siirtyy päivästä yöhön. Kuva ESO/M. Kornmesser.

Eksoplaneettojen ilmakehien tutkimuksessa erittäin kuumat jupiterit ovat erittäin hyödyllisiä. Kuten Demangeon selittää: "Kaasumaisena ja kuumana niiden ilmakehät ovat hyvin laajoja, joten niitä on helpompi havaita ja tutkia kuin pienempien tai viileämpien planeettojen ilmakehiä."

Eksoplaneetan ilmakehän koostumuksen määrittäminen vaatii hyvin erikoistuneita laitteita. Ryhmä käytti ESPRESSO -instrumenttia ESO:n VLT:ssä Chilessä analysoidakseen tähtivaloa, joka oli suodattunut WASP-76 b:n ja WASP-121 b:n ilmakehien läpi. Tämä mahdollisti useiden alkuaineiden selkeän havaitsemisen niissä, mukaan lukien barium.

Nämä uudet tulokset osoittavat, että olemme vain raapaisseet eksoplaneettojen mysteerien pintaa. Tulevaisuuden instrumenteilla, kuten korkean resoluution ArmazoNes High Dispersion Echelle Spectrograph (ANDES), joka toimii ESO:n tulevassa Extremely Large Telescopessa (ELT), tähtitieteilijät voivat havaita suurten ja pienten eksoplaneettojen, mukaan lukien Maan kaltaisten kiviplaneettojen ilmakehiä paljon syvemmältä ja kerätä lisää vihjeitä näiden outojen maailmojen ominaisuuksista.

Tämä tutkimus julkaistiin Astronomy & Astrophysics -julkaisussa "Bariumin havaitseminen ultrakuumakaasujättiläisten WASP-76b ja WASP-121b ilmakehissä" (doi: 10.1051/0004-6361/202244489).