2012.07.06. - Új eljárás az exobolygók légkörének tanulmányozására

Az első Naprendszerünkön kívüli bolygók egyikének, a τ Boötis b-nek segítségével kidolgozott eljárás lehetőséget nyit olyan exobolygók légkörének tanulmányozására is, melyek nem haladnak el a csillaguk előtt.

Egy nemzetközi kutatócsoportnak az ESO VLT teleszkópegyüttesén üzemelő CRIRES infravörös spektrográffal (CRyogenic InfraRed Echelle Spectrometer) készített színképekben sikerült elkülöníteni a τ Boötis b exobolygó spektrális nyomait a csillagáétól. Ennek alapján nem csak a planéta légkörét tanulmányozhatták részleteiben, de pontosították a pályáját és a tömegét is - megoldva ezzel egy 15 éves problémát -, illetve azt is megállapították, hogy a bolygó atmoszférájában a hőmérséklet felfele haladva csökken, ami éppen ellenkezője a vártnak. A τ Boötis b az elsőként felfedezett exobolygók egyike, és az 1996-os detektálása óta még mindig az egyik legközelebbi Naprendszeren kívüli planéta. Az ún. forró jupiterek kategóriájába tartozik, azaz közel kering csillagához, ennek megfelelően hőmérséklete is magas.

A forró jupiterek légkörének tanulmányozása eddig csak akkor volt lehetséges, ha tranzitos exobolygóról volt szó, azaz a planéta pályájának a helyzete a látóirányhoz képest olyan, hogy periodikusan elvonul a csillaga előtt. Ilyenkor annak fénye áthalad a bolygó atmoszféráján, így az nyomot hagy a csillag színképében. A τ Boötis b azonban nem tranzitos, így eddig nem lehetett a légkörét vizsgálni. Tizenöt évnyi próbálkozás után most azonban sikerült a bolygó halvány, csillagának energiaözönében majdnem elvesző sugárzását - pontosabban ennek színképi lenyomatát - is elcsípni. A mérések a 2,3 mikron környéki infravörös tartományban zajlottak. Itt a τ Boo sokkal kevesebb energiát sugároz ki, mint az optikai tartományban, a bolygó viszont az infravörösben "erős", így itt nagyobb eséllyel lehet szeparálni a sugárzását. (A detektált sugárzásnak még így is csak 0,01%-a származott a bolygótól, a többi a csillagtól!) Az alkalmazott eljárás a színképvonalakból származtatott sebességértékek alapján különítette el a csillagtól, a bolygótól, illetve a földi atmoszférától származó spektrumvonalakat. A módszert ugyanezen csoport előzőleg tranzitos exobolygóval is tesztelte, a méréseket abban a fázisban végezve, amikor a planéta éppen elhalad a csillaga előtt. A kutatás vezetője, Matteo Brogi (Leiden Observatory) szerint az eredmény elérését a VLT és a CRIRES által biztosított kiváló minőségű, korábban nem elérhető észlelési anyag tette lehetővé.

Fantáziarajz a τ Boötis rendszeréről. Az új eljárásnak köszönhetően sikerült meghatározni a τ Boötis b pályahajlását, ezen keresztül pedig a tömegét is.
[ESO/L. Calçada]

A jelenleg ismert exobolygók többségét a csillagára gyakorolt gravitációs hatása alapján fedezték fel. (Ezen a Kepler-űrteleszkóp eredményei minden bizonnyal változtatni fognak, az általa detektált tranzitos bolygójelöltek száma ma már több ezer.) A színképvonalak Doppler-eltolódásán alapuló eljárás segítségével azonban a bolygó tömegére csak alsó határt lehet megadni, mivel pályasíkjának inklinációja általános esetben nem ismert. Az új eljárással azonban lehetővé válik a pályasík hajlásszögének, ezáltal pedig a bolygó tömegének a meghatározása is. A τ Boötis b esetében a pályasík inklinációja 44°-nak adódott, így a tömege hatszorosa a Jupiterének. Ez utóbbi eredmény egyrészt megoldotta a planéta tömegével kapcsolatos 15 éves bizonytalanságot, másrészt Ignas Snellen (Leiden Observatory) szerint más, nem tranzitos bolygók esetében is megnyitja ezt a lehetőséget, ami nagy előrelépés ezen a területen.

A τ Boötis b sugárzásának detektálásán és a tömegének meghatározásán túl a kutatócsoport a bolygó atmoszférájának összetevőivel és tulajdonságaival kapcsolatban is tud újat mondani: egyrészt szén-monoxidot azonosítottak a légkörben, másrészt az észlelési adatok és elméleti modellek összehasonlításával a hőmérséklet magasság szerinti függését vizsgálva megállapították, hogy az felfele haladva csökken, ami éppen ellenkezője a más forró jupiterek, például a HD209458b esetében tapasztalt inverziónak, azaz a hőmérséklet magassággal való növekedésének. A hőmérséklet-inverzió hiányának oka - egyéb modellek által is alátámasztva - valószínűleg a csillagtól származó, annak kromoszférikus aktivitásával kapcsolatos erős ultraibolya emisszió lehet.

A VLT észlelések rámutatnak arra is, hogy a nagy földi teleszkópokkal nyert nagyfelbontású színképek milyen hasznos eszközök lehetnek a nemtranzitos exobolygók légkörének vizsgálatában. A megfigyeléseket megfelelően elosztva a pálya mentén talán még az atmoszféra esti/hajnali változásai is detektálhatók lesznek majd. Ez utóbbi kiváló feladat lehet a jövő óriásteleszkópjai, például az E-ELT számára. Ignas Snellen azt sem tartja elképzelhetetlennek, hogy egy napon akár a biológiai aktivitás jeleire is rábukkanhatunk a távoli bolygók légkörének tanulmányozása során...

Az eredményeket részletező szakcikk a Nature magazin 2012. június 28-i számában jelent meg.

Forrás:

• eso1227 - Science Release