„Thermometer“ Molekül wurde auf dem Exoplaneten WASP-31b nachgewiesen
29/08/23 11:55
Das Molekül Chromwasserstoff (CrH), das nicht häufig vorkommt und besonders empfindlich auf Temperaturen reagiert, dient als "Thermometer für Sterne", so die Aussage der Astronomin Laura Flagg. Dies liegt daran, dass es nur in einem begrenzten Temperaturbereich von 1.200 bis 2.000 Kelvin in ausreichender Menge vorhanden ist.
Laura Flagg, eine Forscherin in der Astronomie am College of Arts and Sciences (A&S), hat gemeinsam mit anderen Metallhydriden die Temperaturen von kühlen Sternen und Braunen Zwergen analysiert. Sie stellt die Hypothese auf, dass Chromwasserstoff dasselbe für heiße Jupiter-Exoplaneten tun könnte, wenn diese speziellen Moleküle in den Atmosphären der Exoplaneten vorhanden sind, da ihre Temperaturen denen der Braunen Zwerge ähneln. Frühere Forschungen mit begrenzter Auflösung wiesen darauf hin.
Flagg und ein Team von Forschern unter der Leitung von Cornell haben nun durch hochauflösende spektrale Beobachtungen die Anwesenheit von Chromwasserstoff in der Atmosphäre des heißen Jupiter WASP-31b bestätigt. Dies eröffnet die Möglichkeit, diese temperaturempfindlichen Moleküle als "Thermometer" zur Ermittlung der Temperaturen und anderer Eigenschaften auf Exoplaneten zu verwenden.
Flagg ist die Hauptautorin der Studie "ExoGemS Detection of a Metal Hydride in an Exoplanet Atmosphere at High Spectral Resolution", die in den Astrophysical Journal Letters veröffentlicht wurde.
Zuvor war Chromwasserstoff auf keinem Exoplaneten definitiv nachgewiesen worden, und diese Entdeckung markiert die erstmalige Identifizierung eines Metallhydrids anhand eines hochauflösenden Exoplanetenspektrums, wie die Forscher schrieben.
Der definitive Nachweis von Metallhydriden in WASP-31b ist ein bedeutender Fortschritt im Verständnis der Atmosphären heißer Riesenplaneten, erklärte Flagg. Die Entdeckung liefert jedoch keine neuen Informationen über den individuellen Planeten. WASP-31b, der 2011 entdeckt wurde, umkreist einen F5-Stern alle 3,4 Tage. Er hat eine äußerst geringe Dichte, selbst für einen Riesenplaneten, und die neue Studie bestätigt seine Gleichgewichtstemperatur von 1.400 Kelvin - im Bereich des Chromwasserstoffs.
"Chromwasserstoffmoleküle sind äußerst temperaturempfindlich", erklärte Flagg. "Bei höheren Temperaturen wird nur Chrom beobachtet, während es sich bei niedrigeren Temperaturen in andere Substanzen verwandelt. Daher tritt Chromwasserstoff nur in einem engen Temperaturbereich von etwa 1.200 bis 2.200 Kelvin in größeren Mengen auf."
Im Sonnensystem wurde die einzige bekannte Präsenz dieses Moleküls in Sonnenflecken entdeckt, erklärte Flagg. Da die Sonne zu heiß ist (etwa 6.000 K an der Oberfläche) und alle anderen Objekte zu kühl sind, ist dieses Molekül dort einzigartig.
Flagg nutzt in ihrer Forschung hochauflösende Spektroskopie, um Atmosphären von Exoplaneten zu identifizieren und zu analysieren. Sie vergleicht das gesamte Licht des Systems, wenn der Planet seitlich von dem Stern steht, mit dem Licht, wenn der Planet vor dem Stern steht und einen Teil des Sternenlichts blockiert. Bestimmte Elemente blockieren mehr Licht bei bestimmten Wellenlängen und weniger Licht bei anderen Wellenlängen, was Rückschlüsse auf die Elementzusammensetzung des Planeten zulässt.
"Die hohe spektrale Auflösung bedeutet, dass wir äußerst präzise Wellenlängeninformationen haben", erklärte Flagg. "Wir können Tausende von verschiedenen Spektrallinien erhalten. Wir kombinieren diese mithilfe verschiedener statistischer Methoden und Vorlagen, die eine grobe Vorstellung des erwarteten Spektrums bieten. Durch den Abgleich mit den tatsächlichen Daten können wir Signale identifizieren. Wir testen verschiedene Vorlagen, und in diesem Fall hat die Vorlage für Chromwasserstoff ein Signal erzeugt."
Chrom ist selbst bei den richtigen Bedingungen selten, weshalb Forscher hochsensible Instrumente und Teleskope benötigen, so Flagg.
Um WASP-31b zu analysieren, verwendeten die Forscher hochauflösende Spektren aus einer neuen Beobachtung im März 2022 im Rahmen der Exoplanets with Gemini Spectroscopy-Umfrage auf Hawaii's Maunakea. Dabei nutzten sie das Gemini Remote Access to CFHT ESPaDOnS Spectrograph (GRACES). Die GRACES-Daten wurden durch Archivdaten aus dem Jahr 2017 ergänzt, die ursprünglich nicht zur Suche nach Metallhydriden gedacht waren.
"Ein Teil unserer Daten für diesen Artikel bestand aus älteren Daten am äußeren Rand des Datensatzes. Man hätte nicht gezielt danach gesucht", sagte Flagg. Sie ist nun auf der Suche nach Chromwasserstoff und anderen Metallhydriden in anderen Exoplaneten - die Beweise könnten bereits vorhanden sein.
"Ich hoffe, dass dieser Artikel andere Forscher dazu anregen wird, ihre Daten nach Chromwasserstoff und anderen Metallhydriden zu durchsuchen", sagte Flagg. "Wir sind der Meinung, dass sie vorhanden sein sollten. Hoffentlich werden wir mehr geeignete Daten erhalten, um nach Chromwasserstoff zu suchen, und schließlich eine ausreichend große Datenmenge zusammenstellen können, um Trends zu identifizieren."
