Новые результаты описаны в онлайн-версии журнала Astrophysical Journal Letters от 24 февраля.Ученые ранее обнаруживали водяной пар на нескольких других планетах, но эти обнаружения могли иметь место только при очень специфических обстоятельствах, говорит аспирантка Александра Локвуд, первый автор исследования. «Когда планета проходит транзитом или проходит по орбите перед своей звездой, мы можем использовать информацию об этом событии для обнаружения водяного пара и других атмосферных соединений», — говорит она. «В качестве альтернативы, если планета находится достаточно далеко от своей звезды-хозяина, мы также можем узнать об атмосфере планеты, сфотографировав ее».Однако значительная часть населения внесолнечных планет не соответствует ни одному из этих критериев, и на самом деле не было способа найти информацию об атмосферах этих планет. Пытаясь решить эту проблему, Локвуд и ее советник Джеффри Блейк, профессор космохимии и планетных наук и профессор химии, применили новую технику поиска воды в атмосфере планеты.
Другие исследователи ранее использовали аналогичные подходы для обнаружения окиси углерода в tau Bootis b.В этом методе использовался метод лучевой скорости (RV) — метод, обычно используемый в видимой области спектра, к которому наши глаза чувствительны, — для обнаружения непроходящих экзопланет.
Используя эффект Доплера, обнаружение RV традиционно определяет движение звезды из-за гравитационного притяжения планеты-компаньона; звезда движется против орбитального движения планеты, а звездные элементы меняют длину волны. Большая планета или планета, расположенная ближе к своей родительской звезде, обеспечивает больший сдвиг.Локвуд, Блейк и их коллеги расширили технику RV до инфракрасного диапазона, чтобы определить орбиту tau Bootis b вокруг своей звезды, и добавили дальнейший анализ световых сдвигов с помощью спектроскопии — анализа спектра света. Поскольку каждое соединение излучает свет разной длины, эта уникальная световая сигнатура позволяет исследователям анализировать молекулы, составляющие атмосферу планеты.
Используя данные tau Bootis b из ближнего инфракрасного спектрографа Echelle (NIRSPEC) в обсерватории WM Keck на Гавайях, исследователи смогли сравнить молекулярную сигнатуру воды со световым спектром, излучаемым планетой, подтвердив, что атмосфера действительно включала водяной пар.«Информация, которую мы получаем от спектрографа, похожа на прослушивание оркестра; вы слышите всю музыку вместе, но если вы внимательно прислушаетесь, вы можете выбрать трубу, скрипку или виолончель, и вы знаете, что эти инструменты настоящее время ", — говорит она. «С помощью телескопа вы видите весь свет вместе, но спектрограф позволяет вам различать разные части; например, эта длина волны света означает, что есть натрий, или эта означает, что есть вода».Помимо использования спектрографической техники для изучения состава атмосферы планеты, этот метод также предоставляет исследователям возможность анализировать массу планет. «На самом деле это два отдельных открытия, но оба они очень интересны», — говорит Локвуд. «Когда вы делаете расчеты для поиска атмосферной сигнатуры, которая говорит вам о наличии воды, вы также определяете трехмерное движение звезды и планеты в системе. С помощью этой информации, если вы также знаете по массе звезды можно определить массу планеты », — говорит она.
Предыдущие методы RV для измерения массы планеты могли определять только ориентировочную массу планеты — оценку ее минимальной массы, которая могла быть намного меньше ее фактической массы. Этот новый метод позволяет измерить истинную массу планеты, поскольку регистрируется как свет звезды, так и планеты, что имеет решающее значение для понимания того, как планеты и планетные системы формируются и развиваются.Хотя этот метод обещает расширить возможности планетологов для анализа свойств внесолнечных планет, по словам исследователей, у него есть ограничения.
Например, этот метод в настоящее время ограничен так называемыми газовыми планетами-гигантами "горячего Юпитера", такими как tau Bootis b, — те, которые имеют большие размеры и вращаются очень близко к своей родительской звезде.«Методика ограничена светосилой и диапазоном длин волн телескопа, и даже с невероятной собирающей областью зеркала обсерватории Кек на высокой сухой вершине Мауна-Кеа мы можем в основном анализировать только горячие планеты, которые вращаются вокруг яркой орбиты. звезды, но это может быть расширено в будущем по мере совершенствования телескопов и инфракрасных спектрографов ", — говорит Локвуд.
В будущем, помимо анализа более холодных планет и более тусклых звезд, исследователи планируют продолжить поиск и анализ количества других молекул, которые могут присутствовать в атмосфере tau Bootis b.«В то время как нынешнее состояние техники не позволяет обнаруживать планеты земного типа вокруг звезд, таких как Солнце, с помощью Кека вскоре станет возможным изучать атмосферы так называемых планет« суперземли », обнаруживаемых вокруг близлежащих маломассивных звезд, многие из которых из которых не проходят ", — говорит Блейк. «Будущие телескопы, такие как Космический телескоп Джеймса Уэбба и Тридцатиметровый телескоп (ТМТ), позволят нам исследовать гораздо более холодные планеты, которые более далеки от своих звезд и где с большей вероятностью существует жидкая вода».Результаты опубликованы в The Astrophysical Journal Letters в статье под названием «Прямое обнаружение водяного пара в ближнем ИК-диапазоне в tau Bootis b». Среди других соавторов — сотрудники из Университета штата Пенсильвания, Лаборатории военно-морских исследований, Университета Аризоны и Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики.
Работа финансировалась Программой стипендий для аспирантов Национального научного фонда, фондами Дэвида и Люсиль Паккард и Альфреда П. Слоанов, а также Государственным центром Пенсильвании по экзопланетам и обитаемым мирам.