Uzak bir dünyada metan gazı solumak

NASA‘S James Webb Uzay Teleskobu Atmosferde metan tespit edildi ötegezegen WASP-80 b, uzay araştırmalarında bir dönüm noktası. Gelişmiş ışık analizi yöntemleriyle doğrulanan keşif, gezegenin bileşimine ışık tutuyor ve güneş sistemimizdeki gezegenlerle karşılaştırma yapılmasına olanak sağlıyor.

NASA’nın James Webb Uzay Teleskobu, dış gezegen WASP-80 b’yi ev sahibi yıldızının önünden ve arkasından geçerken gözlemledi ve metan ve su buharı içeren bir atmosferin varlığına işaret eden spektrumları ortaya çıkardı. Şu ana kadar bir düzineden fazla gezegende su buharı tespit edilmiş olsa da, gezegenin atmosferinde bol miktarda bulunan bir molekül olan metan yakın zamana kadar tespit edilememişti. Jüpiter, Satürn, UranüsVe Neptün Güneş sistemimizde, uzay spektroskopisi kullanılarak incelendiklerinde, geçiş yapan dış gezegenlerin atmosferlerinde bulunması zor kalıyorlardı.

NASA’nın Kaliforniya Silikon Vadisi’ndeki Ames Araştırma Merkezi’nde bulunan Körfez Bölgesi Çevre Araştırma Enstitüsü’nden (BAERI) Taylor Bell ve Arizona Eyalet Üniversitesi’nden Lewis Wilbanks, dış gezegenlerin dış atmosferlerindeki metanı tespit etmenin önemi hakkında bize daha fazla bilgi veriyor ve Dış gezegen atmosferlerinde metan tespitinin Web gözlemlerini nasıl kolaylaştırdığını tartışın. Bu uzun zamandır beklenen molekülün tanımlanması. Bu sonuçlar yakın zamanda Nature bilimsel dergisinde yayınlandı.

“Sıcak Jüpiter”i Anlamak WASP-80 B

“Yaklaşık 825 K (yaklaşık 1025 derece) sıcaklıkta FWASP-80 b, bilim adamlarının “sıcak Jüpiterler” olarak adlandırdığı, büyüklük ve kütle bakımından güneş sistemimizdeki Jüpiter’e benzeyen ancak sıcaklıkları 1.450 santigrat derece gibi sıcak Jüpiterlerin arasında kalan gezegenlerdir. K (2,150 °F) HD 209458 b (keşfedilen ilk dış gezegen) ve bizimki gibi soğuk Jüpiterlerin sıcaklığı yaklaşık 125 K (235 °F). WASP-80 b, kırmızı cüce yıldızının etrafında her üç günde bir döner ve bizden 163 ışıkyılı uzaklıkta, Akbaba takımyıldızında yer alır. Gezegen yıldızına bu kadar yakın ve her ikisi de bizden çok uzak olduğundan Webb gibi en gelişmiş teleskoplarla bile gezegeni doğrudan göremiyoruz. Bunun yerine araştırmacılar, geçiş yöntemini (bilinen dış gezegenlerin çoğunu keşfetmek için kullanılan) ve tutulma yöntemini kullanarak yıldızdan ve gezegenden gelen birleşik ışığı inceliyorlar.

Yenilikçi izleme teknolojileri

Geçiş yöntemini kullanarak, gezegenin yıldızının önüne geçmesini bizim açımızdan gözlemleyerek, gördüğümüz yıldız ışığının biraz sönmesine neden olan sistemi gözlemledik. Sanki birisi lambanın yanından geçiyor ve ışık kararıyor. Bu süre zarfında yıldız, gezegenin gündüz-gece sınırı etrafındaki ince bir atmosfer halkasını aydınlatır ve gezegenin atmosferindeki moleküllerin ışığı emdiği belirli ışık renklerinde, atmosfer daha kalın görünür ve daha fazla yıldız ışığını engeller. Bu, atmosferin şeffaf göründüğü diğer dalga boylarına kıyasla daha derin opaklığa neden olur. Bu yöntem, bizim gibi bilim adamlarının, hangi ışık renklerinin gizlendiğini görerek bir gezegenin atmosferinin bileşenlerini anlamalarına yardımcı olur.

Bu arada tutulma yöntemini kullanarak gezegenin kendi yıldızının arkasından geçmesini bizim bakış açımızdan gözlemledik ve bu da aldığımız toplam ışıkta bir miktar daha azalmaya neden oldu. Tüm nesneler, termal radyasyon adı verilen bir miktar ışık yayar ve yayılan ışığın yoğunluğu ve rengi, nesnenin ne kadar sıcak olduğuna bağlıdır. Tutulmanın hemen öncesinde ve sonrasında gezegenin sıcak gündüz tarafı bize doğru çevrilmiş durumda ve tutulma sırasındaki ışık azalmasını ölçerek gezegenden yayılan kızılötesi ışığı da ölçebildik. Tutulma spektrumları için, bir gezegenin atmosferindeki moleküller tarafından emilim, tipik olarak, gezegenin belirli dalga boylarında yaydığı ışığın azalması olarak ortaya çıkar. Ayrıca gezegen, ev sahibi yıldızından çok daha küçük ve soğuk olduğundan tutulmanın derinliği, geçişin derinliğinden çok daha küçüktür.

NASA’nın James Webb Uzay Teleskobu üzerindeki NIRCam’in yarıksız spektroskopi modundan WASP-80 b’nin ölçülen geçiş spektrumu (üstte) ve tutulma spektrumu (altta). Her iki spektrumda da, katkıları renkli çizgilerle gösterilen su ve metan emiliminin açık bir kanıtı vardır. Geçiş sırasında gezegen yıldızın önünden geçer ve geçiş spektrumunda parçacıkların varlığı, gezegenin atmosferinin belirli renklerdeki ışığı daha fazla engellemesine neden olarak bu dalga boylarında daha derin kararmaya neden olur. Tutulma sırasında gezegen yıldızın arkasından geçer ve bu tutulma spektrumunda parçacıklar, gezegenin belirli renklerde yaydığı ışığın bir kısmını emer, bu da tutulma sırasında parlaklıkta geçişe göre daha küçük bir düşüşe neden olur. İmaj kredisi: PAYRI/NASA/Taylor Bell

Spektral veri analizi

İlk gözlemlerimizin spektrum dediğimiz bir şeye dönüştürülmesi gerekiyordu; Bu temel olarak, bir gezegenin atmosferi tarafından farklı renkteki (veya dalga boylarındaki) ışıkla ne kadar ışığın engellendiğini veya yayıldığını gösteren bir ölçümdür. Ham gözlemleri faydalı spektrumlara dönüştürmek için birçok farklı araç mevcut olduğundan, sonuçlarımızın farklı varsayımlara karşı dayanıklı olmasını sağlamak için iki farklı yöntem kullandık. Daha sonra gezegenin atmosferinin bu aşırı koşullar altında nasıl görüneceğini simüle etmek için iki tür model kullanarak bu spektrumu yorumladık. İlk model türü oldukça esnektir; verilerimize en iyi uyan kombinasyonu bulmak için milyonlarca metan, su bolluğu ve sıcaklık kombinasyonuyla denemeler yapar. “Kendi kendine tutarlı modeller” olarak adlandırılan ikinci tür de milyonlarca kombinasyonu araştırıyor, ancak beklenecek metan ve su seviyelerini belirlemek için mevcut fizik ve kimya bilgimizi kullanıyor. Her iki model türü de aynı sonuca varıyor: sonunda metanın tespiti.

Bulgularımızı doğrulamak için, bulgumuzun rastgele gürültü olma olasılığını değerlendirmek üzere sağlam istatistiksel yöntemler kullandık. Alanımızda “altın standart”ın “5 sigma algılama” olarak adlandırıldığını düşünüyoruz; bu, rastgele gürültüden kaynaklanan algılama olasılığının 1,7 milyonda 1 olduğu anlamına gelir. Aynı zamanda, hem geçiş hem de tutulma spektrumunda 6,1 sigma’da metan tespit ettik; her gözlemde yanlış keşif olasılığını 942 milyonda 1’e ayarladık, 5 sigma “altın standardı”nı aştık ve güvenimizi artırdık. ikisi birden. Keşifler.

Metan tespitine yönelik çıkarımlar

Bu kendinden emin keşifle, sadece bulunması zor bir molekül bulmakla kalmadık, aynı zamanda bu kimyasal yapının bize gezegenin doğuşu, büyümesi ve evrimi hakkında neler söylediğini keşfetmeye başlayabiliriz. Örneğin gezegendeki metan ve su miktarını ölçerek karbon atomlarının oksijen atomlarına oranını çıkarabiliriz. Bu oranın gezegenlerin sistemlerinde nerede ve ne zaman oluştuğuna bağlı olarak değişmesi bekleniyor. Dolayısıyla, karbon/oksijen oranının incelenmesi, gezegenin kademeli olarak içe doğru hareket etmeden önce yıldızına yakın mı yoksa ondan uzakta mı oluştuğuna dair ipuçları sağlayabilir.

Bu keşifte bizi heyecanlandıran bir diğer şey de nihayet güneş sistemimizin dışındaki gezegenleri içindeki gezegenlerle karşılaştırma fırsatının ortaya çıkmasıydı. NASA’nın, atmosferlerindeki metan ve diğer moleküllerin miktarını ölçmek için güneş sistemimizdeki gaz devlerine uzay aracı gönderme geçmişi var. Şimdi, aynı gazı bir dış gezegende ölçerek, “elma-elma” karşılaştırması yapmaya başlayabilir ve güneş sisteminden gelen tahminlerin, onun dışında gördüklerimizle eşleşip eşleşmediğini görebiliriz.

James Webb Uzay Teleskobu ile geleceğe yönelik beklentiler

Son olarak Webb ile gelecekteki keşifleri sabırsızlıkla beklerken, bu sonuç bize daha da heyecan verici keşiflerin eşiğinde olduğumuzu gösteriyor. WASP-80 b’nin Webb kullanılarak yapılan ek MIRI ve NIRCam gözlemleri, ışığın farklı dalga boylarında atmosferin özelliklerini keşfetmemize olanak tanıyacak. Bulgularımız bizi, karbon monoksit ve karbon dioksit gibi diğer karbon açısından zengin molekülleri izleyebileceğimize inandırarak, bu gezegenin atmosferinde hüküm süren koşulların daha kapsamlı bir resmini çizmemizi sağlayacak.

Buna ek olarak, dış gezegenlerde metan ve diğer gazları bulduğumuzda, kimya ve fiziğin Dünya’dakilerden farklı koşullar altında ve belki de yakında burada sahip olduklarımızı hatırlatan diğer gezegenlerde nasıl çalıştığına dair bilgimizi genişletmeye devam edeceğiz. evde. Açık olan bir şey var: James Webb Uzay Teleskobu ile yapılacak bir keşif yolculuğu potansiyel sürprizlerle doludur.

Referans: Taylor J. Bell, Lewis Wilbanks, Everett Schloein, Michael R. Lane, Jonathan J. Fortney, Thomas B. Green, Kazumasa Ono, Vivian Parmentier, Emily Rauscher tarafından yazılan “Sıcak dış gezegen WASP-80b’nin atmosferi boyunca metan” , Thomas J. . Beattie, Sajnik Mukherjee, Lindsay S. Weiser, Martha L. Boyer, Marcia J. Ricky ve John A. Stansbury, 22 Kasım 2023, doğa.
doi: 10.1038/s41586-023-06687-0

Yazarlar hakkında:

• Taylor Bell, Bay Area Çevre Araştırma Enstitüsü’nde (BAERI) doktora sonrası araştırma bilimcisidir ve Kaliforniya Silikon Vadisi’ndeki NASA Ames Araştırma Merkezi’nde çalışmaktadır.
• Lewis Wilbanks, Tempe, Arizona’daki Arizona Eyalet Üniversitesi’nde NASA Hubble Üyesidir.