Para ilmuwan mengukur atmosfer sebuah planet di tata surya lain, 340 tahun cahaya jauhnya

Konsep artis tentang planet ekstrasurya “Hot Jupiter”. Kredit: NASA, ESA, dan L. Hustak (STScI)

Sebuah tim ilmuwan internasional, menggunakan teleskop Gemini Earth Observatory di Chili, adalah yang pertama mengukur secara langsung jumlah air dan karbon monoksida di atmosfer sebuah planet di tata surya lain yang berjarak sekitar 340 tahun cahaya.

Tim ini dipimpin oleh Associate Professor Michael Lane dari School of Earth and Space Exploration di Arizona State University, dan hasilnya dipublikasikan hari ini (27 Oktober 2021) di jurnal. sifat pemarah.

Ada ribuan planet yang dikenal di luar tata surya kita (disebut exoplanet). Para ilmuwan menggunakan teleskop luar angkasa dan teleskop darat untuk memeriksa bagaimana exoplanet ini terbentuk dan bagaimana mereka berbeda dari planet-planet di tata surya kita.

Dalam penelitian ini, Laine dan timnya berfokus pada planet “WASP-77Ab,” sejenis planet ekstrasurya disebut “panas” Jupiter“Karena mereka seperti Jupiter di tata surya kita, tetapi dengan suhu lebih dari 2000 derajat F.

Kemudian mereka fokus mengukur komposisi atmosfernya untuk menentukan elemen mana yang ada, dibandingkan dengan bintang yang diorbitnya.

“Mengingat ukuran dan suhunya, Jupiter panas adalah laboratorium yang sangat baik untuk mengukur gas atmosfer dan menguji teori kita tentang pembentukan planet,” kata Lane.

Meskipun kita belum dapat mengirim pesawat ruang angkasa ke planet-planet di luar tata surya kita, para ilmuwan dapat mempelajari cahaya dari planet ekstrasurya menggunakan teleskop. Teleskop yang mereka gunakan untuk mengamati cahaya ini dapat berada di luar angkasa, seperti Teleskop Luar Angkasa Hubble, atau dari Bumi, seperti teleskop Observatorium Gemini.

Lane dan timnya telah terlibat secara ekstensif dalam mengukur komposisi atmosfer planet ekstrasurya menggunakan Hubble, tetapi mendapatkan pengukuran ini sulit. Tidak hanya ada persaingan ketat untuk waktu teleskop, instrumen Hubble hanya mengukur air (atau oksigen), dan tim juga perlu mengumpulkan pengukuran karbon monoksida (atau karbon).

Di sinilah tim beralih ke Gemini South Telescope.

“Kami perlu mencoba sesuatu yang berbeda untuk menjawab pertanyaan kami,” kata Lane. “Dan analisis kami tentang kemampuan Gemini Selatan menunjukkan bahwa kami dapat memperoleh pengukuran atmosfer yang sangat akurat.”

Gemini South adalah teleskop 8,1 meter yang terletak di sebuah gunung di Andes Chili yang disebut Cerro Pachón, di mana udara yang sangat kering dan tutupan awan yang dapat diabaikan menjadikannya lokasi utama untuk teleskop. Ini dioperasikan oleh NOIRLab National Science Foundation (Laboratorium Riset Astronomi Optik dan Inframerah Nasional).

Menggunakan Teleskop Selatan Gemini, dengan instrumen yang disebut Immersion Grating Infrared Spectrometer (IGRINS), tim mengamati cahaya termal planet ekstrasurya saat mengorbit bintang induknya. Dari perangkat ini, mereka mengumpulkan informasi tentang keberadaan dan jumlah relatif berbagai gas di atmosfer.

Seperti satelit cuaca dan iklim yang digunakan untuk mengukur jumlah uap air dan karbon dioksida di atmosfer bumi, para ilmuwan dapat menggunakan spektrometer dan teleskop, seperti IGRINS di Gemini South, untuk mengukur jumlah berbagai gas di planet lain.

“Mencoba mencari tahu komposisi atmosfer planet seperti mencoba memecahkan kejahatan dengan sidik jari,” kata Lane. “Sidik jari yang tercoreng tidak terlalu mempersempitnya, tetapi sidik jari yang sangat bersih dan rapi memberikan pengidentifikasi unik bagi siapa pun yang melakukan kejahatan.”

Di mana Teleskop Luar Angkasa Hubble memberi tim satu atau dua sidik jari misterius, IGRINS di Gemini South memberi tim satu set lengkap sidik jari yang jernih.

Dengan menggunakan pengukuran eksplisit air dan karbon monoksida di atmosfer WASP-77Ab, tim kemudian dapat memperkirakan jumlah relatif oksigen dan karbon di atmosfer planet ekstrasurya.

Dengan mengukur pergeseran Doppler yang ditunjukkan di kolom kanan gambar ini, para ilmuwan dapat merekonstruksi kecepatan orbit planet dalam waktu menuju atau menjauh dari Bumi. Kekuatan sinyal planet seperti yang ditunjukkan di kolom tengah, sepanjang proyeksi kecepatan semu (kurva laut putus-putus) planet saat mengorbit bintang, berisi informasi tentang jumlah berbagai gas di atmosfer. Kredit: P. Smith/M. Lines. Selkirk / ASU

“Jumlah ini sesuai dengan harapan kami dan hampir sama dengan bintang tuan rumah,” kata Lane.

Memasukkan gas ultrahalus dalam jumlah besar ke atmosfer planet ekstrasurya tidak hanya merupakan prestasi teknis yang penting, terutama dengan teleskop berbasis darat, tetapi juga dapat membantu para ilmuwan mencari kehidupan di planet lain.

“Pekerjaan ini merupakan demonstrasi bagaimana gas biosignature seperti oksigen dan metana pada akhirnya dapat diukur di dunia yang berpotensi layak huni dalam waktu yang tidak terlalu lama,” kata Lane.

Apa yang diharapkan Line dan timnya selanjutnya adalah mereplikasi analisis ini untuk beberapa planet dan membuat “sampel” pengukuran atmosfer di setidaknya 15 planet lain.

“Kita sekarang berada pada titik di mana kita bisa mendapatkan fraksi kelimpahan gas yang mirip dengan planet-planet di tata surya kita. Mengukur kelimpahan karbon dan oksigen (dan elemen lainnya) di atmosfer dari sampel eksoplanet yang lebih besar memberikan banyak hal yang dibutuhkan. konteks untuk memahami asal-usul dan evolusi raksasa gas kita seperti Jupiter dan Saturnuskata garis.

Mereka juga menantikan apa yang bisa ditawarkan teleskop masa depan.

“Jika kita dapat melakukan ini dengan teknologi saat ini, pikirkan tentang apa yang dapat kita lakukan dengan teleskop baru seperti Teleskop Magellan Raksasa,” kata Lane. “Ada kemungkinan nyata bahwa pada akhir dekade ini kita mungkin dapat menggunakan metode yang sama untuk mengeksplorasi potensi sinyal kehidupan, yang juga mengandung karbon dan oksigen, di planet berbatu seperti Bumi di luar tata surya kita.”

Referensi: “Solar C/O dan Quasi-solar Metallicity in Jupiter’s Hot Atmosphere” oleh Michael R. Line, Matteo Brugi, Jacob L. Penn, Siddharth Gandhi, Joseph Zaleski, Vivian Parmentier, Peter Smith, Gregory N. Megan Mansfield, Eliza M. Kimpton, Jonathan J. Fortney, Evgenia Shkolnik, Jennifer Passion, Emily Rausher, Jean-Michel Desert dan Just B Wardner, 27 Oktober 2021, sifat pemarah.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03912-6

Selain Line, tim peneliti termasuk Joseph Zaleski, Evgenia Shkolnik, Jennifer Patchens, dan Peter Smith dari School of Earth and Space Exploration di Arizona State University; Matthew Bruggi dan Siddharth Gandhi dari Universitas Warwick (Britania Raya); Jacob Bean dan Megan Mansfield dari Universitas Chicago; Vivien Parmentier dan Joost Wardenier dari Universitas Oxford (Britania Raya); Gregory Mays dari Universitas Texas di Austin. Eliza Kempton dari Universitas Maryland; Jonathan Fortney dari Universitas California, Santa Cruz; Emily Rausher dari Universitas Michigan; dan Gurun Jean-Michel dari Universitas Amsterdam.