En ny snedig teknik gjort det muligt for første gang at studere en exoplanets atmosfære i detaljer – også selvom den ikke passerer ind foran sin moderstjerne. Et internationalt hold har brugt ESO’s VLT til direkte at fange den svage glød fra planeten Tau Boötis b. De har studeret planetens atmosfære og for første gang præcist målt dens bane og dens masse - og samtidigt løst et 15 år gammelt problem.

Overraskende har holdet også fundet frem til, at planetens atmosfære ser ud til at være koldere højere oppe hvilket er det modsatte af, hvad der var forventet. Resultaterne bliver offentliggjort den 28. juni 2012 i tidsskriftet Nature.

Planeten Tau Boötis b er en af de første exoplaneter, der blev opdaget tilbage i 1996, og det er stadig et af de planetsystemer, vi kender, hvor afstanden mellem planeten og stjernen er mindst. Selvom dens moderstjerne let kan ses med det blotte øje, så er det på ingen måde tilfældet for planeten, og indtil nu har den kun kunnet registreres ved dens tyngdepåvirkning af stjernen. Tau Boötis b er en stor varm Jupiter-lignende planet, der kredser meget tæt på sin stjerne.

Som de fleste exoplaneter passerer denne planet ikke ind foran sin stjerne (ligesom venuspassagen for nylig). Indtil nu har sådanne passager været helt afgørende for studier af exoplaneters atmosfærer: når en planet passerer ind foran sin stjerne, efterlader atmosfæren aftryk af sine egenskaber i stjernelyset. Da der ikke er noget stjernelys, der skinner igennem Tau Boötis b’s atmosfære mod os, har det indtil nu ikke været muligt at studere planetens atmosfære.

Men nu efter 15 års forsøg på at studere den svage glød, der udsendes fra varme Jupiter-lignende exoplaneter, er det omside lykkedes astronomer at lave en pålidelig undersøgelse af strukturen i Tau Boötis b’s atmosfære og for første gang nøjagtigt at bestemme dens masse. Holdet brugte CRIRES-instrumentet på Very Large Telescope (VLT) på ESO’s Paranal-observatorium i Chile. De kombinerede infrarøde observationer af høj kvalitet (ved bølgelængder omkring 2,3 mikrometer) med et snedigt nyt trick, der fisker det svage lys fra planeten ud af det meget stærkere lys fra dens moderstjerne.

Undersøgelsens hovedforfatter Matteo Brogi (Leiden Observatory, Holland) forklarer: ”Takket være den høje kvalitet af observationerne fra VLT og CRIRES var vi i stand til at studere spektret fra systemet i langt større detalje end det har været muligt før. Kun omkring 0,01 % af det lys vi ser, kommer fra planeten og resten fra stjernen, så det var ikke nemt.”

De fleste planeter omkring andre stjerner er blevet opdaget ved deres tyngdepåvirkning af deres moderstjerner hvilket begrænser den information, der kan udledes om deres masse: det giver kun en nedre grænse ved beregningen af planetens masse. Den nye teknik, der er anvendt her, er langt mere kraftfuld. Ved at se direkte på planetens lys er det muligt for astronomerne at måle vinklen på planetens bane og derved præcist at finde planetens masse. Ved at følge ændringer i planetens bevægelse, mens den kredser om moderstjernen, har holdet for første gang pålideligt bestemt, at Tau Boötis b kredser om sin værtsstjerne i en vinkel på 44 grader, og at den har en masse, der er 6x Jupiters.

”De nye VLT-observationer løser et 15 år gammel problem om Tau Boötis b’s masse. Den nye teknik betyder også, at vi nu kan studere atmosfærer på exoplaneter, der ikke passerer ind foran deres stjerner, samt præcist at måle deres  masser hvilket før var umuligt,” siger Ignas Snellen (Leiden Observatory, Holland), der er medforfatter på artiklen. ”Det er et stort fremskridt.”

Udover at registrere gløden fra atmosfæren og måle Tau Boötis b’s masse, har holdet undersøgt atmosfæren og målt mængden af kulilte, der er til stede, samt temperaturen i forskellige højder ved at sammenligne observationerne med teoretiske modeller. Et overraskende resultat af dette arbejde er, at de nye observationer tyder på en atmosfære, hvor temperaturen falder højere oppe. Dette resultat er det stik modsatte af den temperaturinversion – en stigning i temperaturen med stigende højde – fundet hos andre varme Jupiter-lignende exoplaneter.

VLT-observationerne viser, at spektroskopi med høj opløsning med jordbaserede teleskoper er et værdifuldt redskab til en detaljeret analyse af atmosfærer på exoplaneter, der ikke passerer ind foran deres stjerner. Påvisning af forskellige molekyler vil i fremtiden gøre det muligt for astronomer at lære mere om planetens atmosfæriske forhold. Ved at måle langs planetens bane, kan astronomerne endda være i stand til at spore atmosfæriske ændringer mellem planetens morgen og aften.

”Dette studie viser det enorme potentiale, der er for nuværende og fremtidige jordbaserede teleskoper, såsom E-ELT. Måske kan vi en dag endda finde tegn på biologisk aktivitet på jordlignende planeter på denne måde,” slutter Ignas Snellen.

Kilde: ESO