Svelare i segreti del “caldo Saturno” e della sua stella maculata

Gli astronomi hanno utilizzato il telescopio spaziale James Webb per studiare l'atmosfera galattica Pianeta extrasolare HAT-P-18 b, rileva vapore acqueo e anidride carbonica con un'enfasi sull'influenza delle proprietà della stella ospite sull'analisi dei dati.

Guidato da ricercatori dell'Istituto Trottier per la ricerca sugli esopianeti (iREx) dell'Università di Montréal, un team di astronomi ha sfruttato la potenza del rivoluzionario James Webb Space Telescope (JWST) per studiare i “pianeti caldi”. Saturno“L’esopianeta HAT-P-18 b.

I loro risultati sono stati pubblicati il ​​mese scorso sulla rivista Avvisi mensili della Royal Astronomical Societydisegnano un quadro completo dell'atmosfera di HAT-P-18 b mentre esplorano la sfida principale di distinguere i segnali atmosferici dall'attività della sua stella.

HAT-P-18 b si trova a più di 500 anni luce di distanza, con una massa simile a quella di Saturno ma dimensioni più vicine a quelle del pianeta più grande. Giove. Di conseguenza, l’esopianeta ha un’atmosfera “gonfia” che è particolarmente ideale per l’analisi.

Rappresentazione artistica dell'esopianeta “Saturno caldo”, HAT-P-18 b. Credito: NASA/Eyes on Exoplanets

Passando sopra una stella maculata

Le osservazioni sono state effettuate dal telescopio spaziale James Webb mentre HAT-P-18 b passava davanti alla sua stella simile al sole. Questo momento è chiamato transito ed è essenziale per rilevare e caratterizzare un esopianeta distante centinaia di anni luce con sorprendente precisione.

Gli astronomi non osservano direttamente la luce emessa dal pianeta lontano. Studiano invece come la luce della stella centrale viene bloccata e influenzata dal pianeta che le orbita attorno, e quindi devono cercare di separare i segnali derivanti dalla presenza del pianeta da quelli derivanti dalle proprietà della stella stessa.

La curva della luce mostra la luminosità o la luminosità di una stella nel tempo. Quando un esopianeta passa sopra la stella, fenomeno noto come transito, parte della luce della stella viene bloccata dall'esopianeta. Di conseguenza, la luminosità della stella diminuisce. Quando una macchia stellare occulta la superficie della stella, o quando un esopianeta passa sopra la macchia scura, gli astronomi possono vedere un segnale nella curva di luce sotto forma di una piccola protuberanza nella parte inferiore della curva di luce che passa. Guarda l'animazione completa di questo grafico qui sotto. Fonte: B. Gougeon/Università di Montréal

Proprio come il nostro Sole, le stelle non hanno superfici uniformi. Può contenere macchie stellari scure e regioni luminose, che possono generare segnali che imitano le caratteristiche dell'atmosfera del pianeta. Un recente studio sull'esopianeta TRAPPIST-1 b e sulla sua stella TRAPPIST-1, condotto dalla dottoranda dell'UdeM Olivia Lim, ha testimoniato un'esplosione, o bagliore, sulla superficie della stella, influenzando le osservazioni.

Nel caso di HAT-P-18 b, Webb è riuscito a catturare l’esopianeta mentre passava sopra una macchia scura sulla sua stella HAT-P-18. Questo è chiamato evento crossover localizzato e il suo effetto era evidente nei dati raccolti per il nuovo studio. Il team iREx ha anche segnalato la presenza di diverse altre macchie stellari sulla superficie di HAT-P-18 che non erano oscurate dall’esopianeta.

Per determinare con precisione la composizione atmosferica dell’esopianeta, i ricercatori hanno dovuto modellare contemporaneamente l’atmosfera del pianeta e le proprietà della sua stella. Nel loro studio sottolineano che tale considerazione sarà cruciale per affrontare le future osservazioni dell’esopianeta Webb per sfruttarne appieno il potenziale.

“Abbiamo scoperto che tenere conto della contaminazione stellare significa macchie e nuvole invece che foschia e recupera l'abbondanza di vapore acqueo a un tasso approssimativamente inferiore”, ha affermato l'autrice principale Marilou Fournier-Tondreau.

“Quindi guardare la stella ospitante del sistema fa una grande differenza”, ha aggiunto Fournier Tondreau, che ha svolto questo lavoro come studente di master presso iREx e ora sta conseguendo un dottorato di ricerca. Nel Università di Oxford.

“Questa è in realtà la prima volta che riusciamo a separare chiaramente la foschia dalle macchie stellari, grazie allo strumento NIRISS (Near-Infrared Imager and Non-Slit Spectrograph) in Canada, che fornisce una copertura di lunghezze d’onda più ampia che si estende nella gamma della luce visibile”.

Acqua, anidride carbonica e nuvole in un'atmosfera ardente

Dopo aver modellato l'esopianeta e la stella nel sistema HAT-P-18, gli astronomi di iREx hanno eseguito una microdissezione della composizione dell'atmosfera di HAT-P-18 b. Esaminando la luce che filtra attraverso l'atmosfera dell'esopianeta mentre passa davanti alla sua stella ospite, i ricercatori hanno rilevato la presenza di vapore acqueo (H2O) e anidride carbonica (CO2).

I ricercatori hanno anche esplorato la possibile presenza di sodio e hanno osservato forti segni di una superficie nuvolosa nell'atmosfera di HAT-P-18 b, che sembra silenziare i segnali di molte molecole al suo interno. Hanno inoltre concluso che la superficie della stella era ricoperta da numerose macchie scure che avrebbero potuto influenzare in modo significativo l'interpretazione dei dati.

Una precedente analisi degli stessi dati del telescopio spaziale James Webb condotta da un team della Johns Hopkins University ha rivelato anche il chiaro rilevamento di acqua e anidride carbonica, ma ha anche riportato il rilevamento di piccole particelle ad alta quota chiamate aerosol e ha trovato tracce di metano (CH4 ). Gli astronomi iREx dipingono un quadro diverso.

La scoperta del CH4 non è stata confermata e l'abbondanza dell'acqua identificata era dieci volte inferiore a quella rilevata in precedenza. Hanno anche scoperto che la scoperta della foschia nello studio precedente potrebbe essere causata da macchie stellari sulla superficie della stella, evidenziando l’importanza di tenere conto della stella nell’analisi.

Può un pianeta extrasolare sostenere la vita? Improbabile. Mentre molecole come acqua, anidride carbonica e metano possono essere interpretate come biofirme, o segni di vita, in determinate proporzioni o in combinazione con altre molecole, le temperature roventi di HAT-P-18 b sono vicine ai 600 gradi. Centigrado Ciò non è di buon auspicio per l’abitabilità del pianeta.

Le future osservazioni di un altro degli strumenti del telescopio spaziale James Webb, il Near-Infrared Spectrometer (NIRSpec), promettono di aiutare a migliorare le scoperte del team, come la scoperta dell'anidride carbonica, e a fare più luce sulle complessità di questo caldo esopianeta di Saturno. .

Riferimento: “Spettroscopia di trasmissione nel vicino infrarosso di HAT-P-18 b con NIRISS: deconstructing planetary and stellar features in the JWST era” di Marilou Fournier Tondreau, Ryan J. MacDonald, Michael Radica, David Lafrenière, Louis Wilbanks, Carolyn Piolette, Louis Philippe Coulombe, Romain Allart, Kim Morel, Etienne Artigao, Loic Albert, Olivia Lim, Rene Doyon, Björn Beneke, Jason F. Roux, Antoine Darvaux-Bernier, Nicholas B. Cowan, Nicole K. Lewis, Neil James Cook, Laura Flagg, Frédéric Genest, Stephane Pelletier, Doug Johnston, Lisa Dang, Lisa Kaltenegger, Jake Taylor e Jake D. Turner, 9 dicembre 2023, Avvisi mensili della Royal Astronomical Society.
doi: 10.1093/manras/stad3813