„Kosmisches Thermometer“ auf WASP entdeckt

Von der Cornell University, 29. August 2023

Astronomen haben mithilfe hochauflösender Spektralbeobachtungen das Vorhandensein von Chromhydrid in der Atmosphäre des heißen Jupiter WASP-31b bestätigt. Dieses Molekül kommt nur zwischen 1.200 und 2.000 Kelvin vor und hat das Potenzial, als „Thermometer“ für Exoplaneten zu fungieren.

Chromium hydride, found in the temperature range of 1,200-2,000 degrees Kelvin, has been detected in the hot JupiterJupiter is the largest planet in the solar system and the fifth planet from the sun. It is a gas giant with a mass greater then all of the other planets combined. Its name comes from the Roman god Jupiter." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Die Atmosphäre von Jupiter WASP-31b. Diese Entdeckung ebnet den Weg für die Verwendung des Moleküls als „Thermometer“ für Exoplaneten.

Chromhydrid (CrH), ein relativ seltenes und besonders temperaturempfindliches Molekül, eignet sich laut der Astronomin Laura Flagg als „Thermometer für Sterne“. Dies liegt daran, dass es nur in einem engen Bereich zwischen 1.200 und 2.000 Kelvin reichlich vorhanden ist.

Flagg, wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Astronomie am College of Arts and Sciences (A&S) der Cornell University, hat dieses und andere Metallhydride verwendet, um die Temperatur kühler Sterne und Brauner Zwerge zu bestimmen. Theoretisch, sagte sie, könnte Chromhydrid dasselbe für heiße Jupiter-Exoplaneten bewirken, deren Temperatur mit Braunen Zwergen vergleichbar ist – wenn diese besonderen Moleküle in der Atmosphäre von Exoplaneten vorhanden sind. Frühere Untersuchungen mit niedriger Auflösung haben darauf hingewiesen, dass dies der Fall ist.

Neue Entdeckungen auf dem heißen Jupiter WASP-31b

Now, Flagg and a Cornell-led team of scientists have confirmed, using high-resolution spectral observations, the presence of chromium hydride in an exoplanetAn exoplanet (or extrasolar planet) is a planet that is located outside our Solar System, orbiting around a star other than the Sun. The first suspected scientific detection of an exoplanet occurred in 1988, with the first confirmation of detection coming in 1992." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">exoplanet atmosphere of the hot Jupiter WASP-31b, opening the door to use this temperature-sensitive molecule speciesA species is a group of living organisms that share a set of common characteristics and are able to breed and produce fertile offspring. The concept of a species is important in biology as it is used to classify and organize the diversity of life. There are different ways to define a species, but the most widely accepted one is the biological species concept, which defines a species as a group of organisms that can interbreed and produce viable offspring in nature. This definition is widely used in evolutionary biology and ecology to identify and classify living organisms." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Spezies als „Thermometer“ zur Bestimmung der Temperatur und anderer Eigenschaften in Exoplaneten.

Flagg is lead author of “ExoGemS Detection of a Metal Hydride in an Exoplanet Atmosphere at High Spectral Resolution,” published on August 16 in The Astrophysical Journal LettersThe Astrophysical Journal Letters (ApJL) is a peer-reviewed scientific journal that focuses on the rapid publication of short, significant letters and papers on all aspects of astronomy and astrophysics. It is one of the journals published by the American Astronomical Society (AAS), and is considered one of the most prestigious journals in the field." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Astrophysical Journal Letters. Co-authors include: Ray Jayawardhana, the Hans A. Bethe Professor and professor of astronomy (A&S); Jake D. Turner, Hubble Research Fellow in the Cornell Center for Astrophysics & Planetary Science; Ryan J. MacDonald, previously a research associate at the Carl Sagan Institute and now a NASAEstablished in 1958, the National Aeronautics and Space Administration (NASA) is an independent agency of the United States Federal Government that succeeded the National Advisory Committee for Aeronautics (NACA). It is responsible for the civilian space program, as well as aeronautics and aerospace research. Its vision is "To discover and expand knowledge for the benefit of humanity." Its core values are "safety, integrity, teamwork, excellence, and inclusion." NASA conducts research, develops technology and launches missions to explore and study Earth, the solar system, and the universe beyond. It also works to advance the state of knowledge in a wide range of scientific fields, including Earth and space science, planetary science, astrophysics, and heliophysics, and it collaborates with private companies and international partners to achieve its goals." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> NASA Sagan Fellow an der University of Michigan; und Adam Langeveld, Postdoktorand in der Astronomie (A&S).

Chromhydrid wurde bisher auf keinem Exoplaneten nachgewiesen und dies sei der erste Nachweis eines Metallhydrids aus einem hochauflösenden Exoplanetenspektrum, schrieben die Forscher.

Der endgültige Nachweis von Metallhydriden in WASP-31b sei ein wichtiger Fortschritt im Verständnis der Atmosphäre heißer Riesenplaneten, sagte Flagg, obwohl die Entdeckung keine neuen Informationen über den einzelnen Planeten lieferte. WASP-31b wurde 2011 entdeckt und umkreist alle 3,4 Tage einen F5-Stern. Seine Dichte ist selbst für einen Riesenplaneten äußerst gering, und die neue Studie bestätigt, dass seine Gleichgewichtstemperatur bei 1.400 Kelvin liegt – im Bereich von Chromhydrid.

„Chromhydridmoleküle sind sehr temperaturempfindlich“, sagte Flagg. „Bei höheren Temperaturen sieht man nur Chrom allein. Und bei niedrigeren Temperaturen verwandelt es sich in andere Dinge. Es gibt also nur einen bestimmten Temperaturbereich, etwa 1.200 bis 2.200 Kelvin, in dem Chromhydrid in großen Mengen vorkommt.“

In unserem Sonnensystem kommt dieses Molekül nur in Sonnenflecken vor, sagte Flagg: Die Sonne sei zu heiß (etwa 6.000 K auf der Oberfläche) und alle anderen Objekte seien zu kühl.

In ihrer Forschung verwendet Flagg hochauflösende Spektroskopie, um die Atmosphäre von Exoplaneten zu erkennen und zu analysieren. Dabei vergleicht sie das Gesamtlicht des Systems, wenn sich der Planet an der Seite des Sterns befindet, mit dem, wenn sich der Planet vor dem Stern befindet und einige der Sterne blockiert Licht. Bestimmte Elemente blockieren mehr Licht bei bestimmten Wellenlängen und weniger Licht bei anderen Wellenlängen und verraten so, welche Elemente es auf dem Planeten gibt.

„Hohe spektrale Auflösung bedeutet, dass wir über sehr präzise Wellenlängeninformationen verfügen“, sagte Flagg. „Wir können Tausende verschiedener Linien bekommen. Wir kombinieren sie mit verschiedenen statistischen Methoden, verwenden eine Vorlage – eine ungefähre Vorstellung davon, wie das Spektrum aussieht – und vergleichen sie mit den Daten und gleichen sie ab. Wenn es gut passt, gibt es ein Signal. Wir haben alle verschiedenen Templates ausprobiert, und in diesem Fall erzeugte das Chromhydrid-Templat ein Signal.“

Chrom ist selbst bei der richtigen Temperatur selten, daher benötigen Forscher empfindliche Instrumente und Teleskope, sagte Flagg.

Um WASP-31b zu analysieren, verwendeten die Forscher hochauflösende Spektren einer neuen Beobachtung im März 2022 im Rahmen der Exoplanets with Gemini Spectroscopy-Untersuchung von Maunakea auf Hawaii, wobei sie den Gemini Remote Access to CFHT ESPaDOnS Spectrograph (GRACES) nutzten. Sie ergänzten die GRACES-Daten durch Archivdaten aus dem Jahr 2017, die nicht für die Suche nach Metallhydriden gedacht waren.

„Ein Teil unserer Daten für dieses Papier waren alte Daten, die am äußersten Rand des Datensatzes lagen. „Sie hätten nicht danach gesucht“, sagte Flagg. Sie ist nun auf der Suche nach Chromhydrid und anderen Metallhydriden auf anderen Exoplaneten – und die Beweise könnten bereits vorhanden sein.

„Ich hoffe, dass dieses Papier andere Forscher dazu ermutigen wird, in ihren Daten nach Chromhydrid und anderen Metallhydriden zu suchen“, sagte Flagg. „Wir denken, es sollte da sein. Wir hoffen, dass wir mehr Daten erhalten, die für die Suche nach Chromhydrid geeignet sind, und schließlich eine Stichprobengröße aufbauen, um nach Trends zu suchen.“

Referenz: „ExoGemS Detection of a Metal Hydride in an Exoplanet Atmosphere at High Spectral Resolution“ von Laura Flagg, Jake D. Turner, Emily Deibert, Andrew Ridden-Harper, Ernst de Mooij, Ryan J. MacDonald, Ray Jayawardhana, Neale Gibson, Adam Langeveld und David Sing, 16. August 2023, The Astrophysical Journal Letters.DOI: 10.3847/2041-8213/ace529