Przejdź do treści

Metale ziem rzadkich w rozżarzonej atmosferze egzoplanety

img

KELT-9b to najgorętsza znana nam egzoplaneta. Latem 2018 r. zespół astronomów znalazł sygnatury pary żelaza i tytanu w jej atmosferze. Teraz badacze byli w stanie również wykryć ślady pary sodu, magnezu, chromu oraz metale ziem rzadkich skandu i itru.

Egzoplanety są planetami spoza Układu Słonecznego, które krążą wokół gwiazd innych, niż Słońce. Od czasu odkrycia pierwszych egzoplanet w połowie lat 90. Znamy ich już ponad 3000. Wiele z tych planet jest ekstremalnych w porównaniu z planetami w Układzie Słonecznym: gorące gazowe olbrzymy, które krążą bardzo blisko swoich gwiazd macierzystych, nieraz w czasie krótszym, niż kilka dni. Takie planety nie występują w naszym Układzie Słonecznym a ich istnienie było niezgodne z przewidywaniami dotyczącymi tego, jak i dlaczego tworzą się planety. Przez ostatnie 20 lat astronomowie z całego świata starali się zrozumieć, skąd pochodzą te planety, z czego są zbudowane i jak wygląda ich klimat.

Niezwykle gorący gazowy olbrzym

KELT-9 to gwiazda znajdująca się 650 lat świetlnych od Ziemi w konstelacji Łabędzia. Jej egzoplaneta – KELT-9b – stanowi przykład najbardziej ekstremalnej z tych tak zwanych gorących Jowiszów, ponieważ krąży bardzo blisko swojej gwiazdy, która jest prawie dwukrotnie gorętsza od Słońca. Dlatego temperatura jej atmosfery sięga 4000 oC. W takim cieple wszystkie pierwiastki są prawie całkowicie w postaci pary a cząsteczki są rozbijane na atomy – podobnie jak ma to miejsce w przypadku warstw zewnętrznych gwiazd. Oznacza to, że atmosfera nie zawiera chmur ani aerozoli, a niebo jest czyste, przeważnie przezroczyste dla światła swojej gwiazdy.

Atomy, które tworzą gaz atmosfery, pochłaniają światło w bardzo specyficznych kolorach spektrum, a każdy atom ma unikalny „odcisk palca” barwy, którą absorbuje. Te odciski palców można zmierzyć za pomocą czułego spektrografu zamontowanego na dużym teleskopie, co pozwala astronomom określić skład chemiczny atmosfer planet odległych o wiele lat świetlnych od nas.

Egzoplaneta jak skarbnica

Zespół naukowców wykorzystał tę technikę i dokonał interesującego odkrycia: „Korzystając ze spektrografu HARPS-North zamontowanego na Italian National Telescope znajdującym się na wyspie La Palma, znaleźliśmy atomy żelaza i tytanu w gorącej atmosferze KELT-9b” – wyjaśnia Kevin Heng, dyrektor i profesor w Centre for Space and Habitabilty (CSH) na Uniwersytecie w Bernie i członek National Centre of Competence in Research PlanetS. Zespół obserwował układ KELT-9 drugi raz zeszłego lata, mając na celu potwierdzenie wcześniejszych detekcji, ale także kontynuowanie wyszukiwania dodatkowych pierwiastków, które również mogą być obecne w danych. Ich badanie obejmowało 73 atomy, w tym niektóre tzw. metale ziem rzadkich. Substancje te są mniej popularne na Ziemi, ale są stosowane w zaawansowanych materiałach i urządzeniach. Jens Hoeijmakers z CSH w Bernie i Obserwatorium Genewskiego, mówi: „Nasz zespół przewidział, że widmo tej planety może być skarbnicą, w której można wykryć wiele gatunków, których wcześniej nie zaobserwowano w atmosferze żadnej innej planety.”

Po wnikliwej analizie naukowcy rzeczywiście znaleźli w widmie planety sygnały pary sodu, magnezu, chromu i metali ziem rzadkich – skandu i itru. Ostatnie trzy z nich nigdy nie zostały wykryte w atmosferze egzoplanety. „Zespół rozwinął również interpretację tych danych i był w stanie wykorzystać te sygnały do oszacowania, na jakiej wysokości w atmosferze planety atomy te są absorbowane” – mówi Jens Hoeijmakers. Co więcej, naukowcy wiedzą również więcej o silnych globalnych wzorcach wiatru wysoko w atmosferze, które wydmuchują materię z jednej półkuli na drugą.

„Z dalszymi obserwacjami w przyszłości może zostać odkrytych wiele innych pierwiastków dzięki zastosowaniu tej samej techniki dla atmosfery tej planety, a być może także na innych planetach ogrzewanych do podobnych temperatur” – wyjaśnia Jens Hoeijmakers. Są duże szanse, że pewnego dnia znajdziemy tak zwane biosygnatury, czyli oznaki życia, na egzoplanecie, wykorzystując te same techniki, które stosujemy dzisiaj. Ostatecznie, chcemy wykorzystać nasze badania do zrozumienia pochodzenia i rozwoju Układu Słonecznego, a także pochodzenie życia” – dodaje Kevin Heng.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Więcej:
Rare-Earth metals in the atmosphere of a glowing-hot exoplanet

A spectral survey of an ultra-hot Jupiter. Detection of metals in the transmission spectrum of KELT-9 b

Źródło: University of Bern

Na zdjęciu: Wizja artystyczna zachodu słońca nad KELT-9b. Źródło: Denis Bajram