„Thermometer“-Molekül auf Exoplanet WASP bestätigt

Jun 21, 2023

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

Flagg, wissenschaftlicher Mitarbeiter für Astronomie am College of Arts and Sciences (A&S), 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.

Jetzt haben Flagg und ein von Cornell geleitetes Forscherteam mithilfe hochauflösender Spektralbeobachtungen das Vorhandensein von Chromhydrid in der Exoplanetenatmosphäre des heißen Jupiter WASP-31b bestätigt und damit die Tür für die Verwendung dieser temperaturempfindlichen Molekülart geöffnet ein „Thermometer“ zur Bestimmung der Temperatur und anderer Eigenschaften von Exoplaneten.

Flagg ist Hauptautor von „ExoGemS Detection of a Metal Hydride in an Exoplanet Atmosphere at High Spectral Resolution“, veröffentlicht am 16. August in ApJ Letters. Zu den Co-Autoren gehören: Ray Jayawardhana, Hans A. Bethe Professor und Professor für Astronomie (A&S); Jake D. Turner, Hubble Research Fellow am Cornell Center for Astrophysics & Planetary Science; Ryan J. MacDonald, zuvor wissenschaftlicher Mitarbeiter am Carl Sagan Institute und jetzt NASA Sagan Fellow an der University of Michigan; und Adam Langeveld, Postdoktorand in der Astronomie (A&S). Flagg, Turner und Langeveld sind Mitglieder der Forschungsgruppe von Jayawardhana.

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 hat das Chromhydrid-Templat ein Signal erzeugt.“

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.“

Kate Blackwood ist Autorin am College of Arts and Sciences.

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