Νάτριο ανιχνεύθηκε στην ατμόσφαιρα ενός εξωηλιακού πλανήτη

Από σελίδα του unisci, 28 Νοεμβρίου 2001

Καλλιτεχνική απεικόνιση του πλανήτη γύρω από τον αστέρα HD 209458

Η ατμόσφαιρα ενός πλανήτη που βρίσκεται σε τροχιά γύρω από ένα αστέρι, έξω από το ηλιακό μας σύστημα, ανιχνεύθηκε για πρώτη φορά. Και οι πληροφορίες που έχουν συγκεντρωθεί για τη χημική σύνθεσή της, δείχνουν ότι για πρώτη φορά έχει ανιχνευθεί νάτριο σε ατμόσφαιρα πλανήτη.

Το επίτευγμα αυτό έγινε από έναν πρόσφατο επισκέπτη σπουδαστή στο Εθνικό Κέντρο για την Ατμοσφαιρική Ερευνα και έναν ανώτερο επιστήμονα του NCAR.

Οι μοναδικές παρατηρήσεις τους από το τηλεσκόπιο Hubble της NASA καταδεικνύουν ότι είναι δυνατό να μετρηθεί η χημική σύνθεση των εξω-ηλιακών πλανητικών ατμοσφαιρών -- και ενδεχομένως η αναζήτηση των χημικών σημαδιών της ζωής πέρα από τη Γη.

Ο επικεφαλής της έρευνας  David Charbonneau, και ο Timothy Brown χρησιμοποίησαν το φασματόμετρο του τηλεσκοπίου Hubble για να ανιχνεύσουν την παρουσία νατρίου στην ανώτερη ατμόσφαιρα αυτού του εξω-ηλιακού πλανήτη.

Ο Charbonneau είναι τώρα στο Τεχνολογικό Ιδρυμα Καλιφόρνιας. Το National Science Foundation, NCAR's, είναι ο κύριος χορηγός του πειράματος καθώς και η NASA.

"Πριν από μια δεκαετία , οι πλανήτες έξω από το ηλιακό μας σύστημα ήταν ακόμα στη σφαίρα της επιστημονικής φαντασίας," λέει ο Charbonneau. "Η έρευνα για τον απαρατήρητο πλανητικό σύντροφο ενός αστεριού ήταν τρελλή. Η ελπίδα να φανεί η ατμόσφαιρά του ήταν ακόμα πιό τρελλή." Τώρα όμως οι πλανήτες ανακαλύπτονται κάθε μήνα, και ακόμη και οι ατμόσφαιρές τους είναι προσιτές στην παρατήρηση, λέει. "Ξαφνικά, η συζήτηση των αναζητήσεων για τους ομοειδείς πλανήτες με τη Γη, γίνεται αρκετά λογική."

Ο σπουδαστής και ο ανώτερος επιστήμονας εργάστηκαν μαζί στο High Altitude Observatory του NCAR για να αναπτύξουν το μοντέλο του υπολογιστού τους και να κάνουν πιό λεπτομερή την παρατηρητική προσέγγισή τους. Το μοντέλο πρόβλεψε ποιες χημικές ουσίες και πόσο είναι η κάθε μία που ψάχνουν.

Για να εκμεταλλευθούν τις ιδιαίτερες δυνάμεις του φασματογράφου Hubble, ελαχιστοποίησαν την αναζήτησή τους στο νάτριο.

Τον περασμένο μήνα, δύο έτη μετά από την αρχική πρότασή τους, ανταμείφθηκαν όταν οι προσδοκώμενες παχιές μαύρες γραμμές, φάνηκαν στην προβλεφθείσα θέση στην κιτρινοπράσινη περιοχή του ορατού φάσματος του φωτός των άστρων -- ένα σίγουρο σημάδι των ατόμων του νατρίου που απορροφούν και που διασκορπίζουν το φως των άστρων.

Οι ακριβείς μετρήσεις του Hubble επιβεβαίωσαν ότι το νάτριο υπάρχει όχι μόνο στην ατμόσφαιρα του αστεριού, αλλά και του πλανήτη επίσης.

Πάνω: Το νάτριο στην ατμόσφαιρα του πλανήτη φιλτράρει το φως που έρχεται από το άστρο του

"Είναι σημαντικά συναρπαστικό να δεις κάτι τόσο μυστήριο όσο οι πλανήτες έξω από το ηλιακό σύστημά μας," λέει ο Brown. "Είναι η χημική προσωπικότητα αυτού του πλανήτη μοναδική ή είναι χαρακτηριστική μιας ορισμένης κλάσης των εξωηλιακών πλανητών; Δεν έχουμε καμία ένδειξη. Ελπίζουμε να το ανακαλύψουμε."

Η σύνθεση των εξωηλιακών πλανητικών ατμοσφαιρών, μπορούν όμως να ανακαλυφθούν αργότερα ότι διαφέρουν, επειδή οι αισθητές ποσότητες είναι πολύ μικρές και οι μετρήσεις πρέπει να είναι εξαιρετικά ακριβείς, λέει ο Brown.

Ο πλανήτης βρίσκεται σε τροχιά γύρω από ένα κίτρινο, σαν τον ήλιο μας-αστέρι που αποκαλείται HD 209458, ένα αστέρι εβδόμου μεγέθους -ορατό με ένα ερασιτεχνικό τηλεσκόπιο, το οποίο βρίσκεται 50 έτη φωτός μακριά στον αστερισμό του Pegasus. Η ατμοσφαιρική σύνθεσή της εξετάστηκε όταν πέρασε ο πλανήτης μπροστά από το γονικό αστέρι του, επιτρέποντας στους επιστήμονες για πρώτη φορά να δούν το φως από το αστέρι που φιλτράρεται μέσω της ατμόσφαιρας του πλανήτη.

Πριν από την παρατήρησή τους, δεν υπήρξε καμία άμεση απόδειξη της ύπαρξης μιας ατμόσφαιρας, σε οποιονδήποτε από τους 76 εξωηλιακούς πλανήτες που έχουν ανακαλυφθεί μέχρι σήμερα, πόσο μάλλον μια μέτρηση της συγκεκριμένης χημικής σύνθεσης.

Οι Charbonneau και Brown χρησιμοποιούν αυτήν την περίοδο το φασματογράφο του Hubble για να διερευνήσουν την εξασθενημένη λάμψη του άστρου που αντανακλάται από τον πλανήτη προς τη Γη. Τα αποτελέσματα, βασισμένα σε μιά μόλις μετρήσιμη λάμψη 0.01% της λάμψης, πρέπει να αποκαλύψουν το χρώμα και την ανακλαστικότητα του πλανήτη και να αποδείξουν εάν  είναι παρόντα τα νέφη της ενδοαστρικής σκόνης ή τα μεταλλικά στοιχεία.

"Σε μερικά μοντέλα υπολογιστών, αυτός ο πλανήτης είναι πιό μαύρος από τον άνθρακα," λένε. "Σε άλλα, είναι ανοιχτό λευκό, όπως η Αφροδίτη. Μόνο οι παρατηρήσεις μπορούν να μας πουν ποιος είναι πραγματικά." Μόλις την επόμενη άνοιξη, οι καλλιτέχνες μπορούν με τα αποτελέσματα των επιστημόνων να χρωματίσουν το πορτρέτο του πλανήτη στο αληθινό του χρώμα.

Ο ίδιος πλανήτης είχε ανακαλυφθεί πριν μερικούς μήνες χρησιμοποιώντας νωρίτερα μια πιό κοινή διαδικασία ανίχνευσης, βασισμένη στο μικρό βαρυτικό πεδίο του πάνω στο αστέρι. Από εκείνη την παρατήρηση, ο πλανήτης υπολογίστηκε πως είναι το 70 τοις εκατό της μάζας του γιγαντιαίου πλανήτη Δία (ή 220 φορές πιό ογκώδης από τη Γη).

Μέχρι τον Νοέμβριο του 1999, ο Charbonneau και ο Brown είχαν τα αποτελέσματα. Μέχρι σήμερα, ο πλανήτης που περιβάλλει τον HD 209458 παραμένει ο μόνος εξωηλιακός πλανήτης, του οποίου η φυσική ύπαρξη έχει επιβεβαιωθεί χρησιμοποιώντας τη μέθοδο διέλευσης της ανίχνευσης. Μέσα σε έναν μήνα από εκείνη την επιτυχία, οι δύο επιστήμονες πρότειναν το φασματογράφο του Hubble για να προσδιορίσουν τα στοιχεία σε μια εξωηλιακή πλανητική ατμόσφαιρα.

Στο παρόν πείραμα με τον Hubble, οι αστρονόμοι είδαν πραγματικά λιγότερο νάτριο από το προβλεφθέν για τον πλανήτη της κλάσης του Δία. Μια ερμηνεία γι' αυτό προτείνει ότι τα μεγάλου ύψους νέφη στην ξένη ατμόσφαιρα μπορεί να είχαν εμποδίσει κάποια ποσότητα ακτίνων του φωτός.

Η παρατήρηση του Hubble δεν ήταν συντονισμένη για να ψάξει για αέρια που αναμένονταν σε μια ατμόσφαιρα που θα υποστήριζε ζωή (που είναι απίθανη για έναν πλανήτη τόσο καυτός όσο αυτός που παρατηρήθηκε). Εντούτοις, αυτή η μοναδική τεχνική παρατήρησης ανοίγει μια νέα φάση στην εξερεύνηση των εξωηλιακών πλανητών, λένε οι αστρονόμοι.

Τέτοιες παρατηρήσεις θα μπορούσαν ενδεχομένως να παρέχουν τα πρώτα άμεσα στοιχεία για τη ζωή πέρα από τη Γη με τη μέτρηση των ασυνήθιστων εν αφθονία ατμοσφαιρικών αερίων που προκαλούνται από την παρουσία οργανισμών διαβίωσης.

Ο πλανήτης αυτός είναι ένας ιδανικός στόχος για επαναληπτικές παρατηρήσεις επειδή διέρχεται από το αστέρι του κάθε 3.5 ημέρες -- εξαιρετικά σύντομος χρόνος για να περιστραφεί ο πλανήτης γύρω από το αστέρι του, που βρίσκεται σε μια απόσταση μόνο 4 εκατομμυρίων μιλίων από την επιφάνεια του αστεριού. Αυτή η στενή εγγύτητα με το αστέρι, θερμαίνει την ατμόσφαιρα του πλανήτη σε 1.100 βαθμούς Κελσίου.

Η ομάδα είχε χρησιμοποιήσει προηγουμένως τις παρατηρήσεις από τον Hubble και τα επίγεια τηλεσκόπια για να επιβεβαιώσει ότι ο πλανήτης είναι πρώτιστα αεριώδης, παρά υγρός ή στερεός, επειδή έχει μια πυκνότητα μικρότερη από αυτή του νερού.

(Η Γη, ένας βραχώδης παρά ένας αεριώδης πλανήτης, έχει μια μέση πυκνότητα πέντε φορές αυτή του νερού.) Αυτές οι προηγούμενες παρατηρήσεις καθόρισαν έτσι ότι ο πλανήτης είναι ένας γίγαντας αερίου, όπως ο Δίας και ο Κρόνος.

Η γρήγορη τροχιά του πλανήτη επέτρεψε τις παρατηρήσεις τεσσάρων χωριστών διελεύσεων που έγιναν από τον Hubble σε αναζήτηση άμεσων στοιχείων μιας ατμόσφαιρας. Αν και το αστέρι έχει επίσης νάτριο στα εξωτερικά στρώματά του, ο φασματογράφος μέτρησε ακριβώς μια πολύ μικρή πρόσθετη διήθηση του νατρίου (μια αύξηση λιγότερο από το ένα τοις εκατό) καθώς το φως του αστεριού πέρασε μέσω της ατμόσφαιρας του πλανήτη).

Τα επόμενα σχέδια της ομάδας είναι να εξετάσουν τον HD 209458 πάλι με τον Hubble, αλλά σε άλλα χρώματα του φάσματος του αστεριού για να δουν ποιά φιλτράρονται από την ατμόσφαιρα του πλανήτη. Ελπίζουν τελικά να ανιχνεύσουν το μεθάνιο, τον υδρατμό, το κάλιο, και άλλες χημικές ουσίες στην ατμόσφαιρα του πλανήτη.

Μόλις βρεθούν άλλοι διερχόμενος γίγαντες στα επόμενα έτη, η ομάδα αναμένει να χαρακτηρίσει τις χημικές διαφορές μεταξύ των ατμοσφαιρών αυτών των πλανητών. Αυτά τα προσδοκώμενα συμπεράσματα θα βοηθούσαν τελικά τους αστρονόμους να καταλάβουν καλύτερα μια παράξενη κλάση των εξωηλιακών πλανητών που ανακάλυψαν τα τελευταία χρόνια και που ονομάζονται "καυτός Δίας"

Αυτοί οι εξωηλιακοί πλανήτες είναι στο μέγεθος του Δία, αλλά η τροχιά τους είναι πιό κοντά στα αστέρια τους, ακόμη περισσότερο και από τον μικροσκοπικό ενδότατο Ερμή στο ηλιακό σύστημά μας. Ενώ ο Ερμής είναι ένας 'καψαλισμένος', χωρίς ίχνος αέρα, βράχος, αυτοί οι πλανήτες έχουν αρκετή βαρύτητα που συγκρατούν τις ατμόσφαιρές τους, αν και μερικές είναι αρκετά καυτές ώστε να λειώσουν ακόμη και το χαλκό.

Η συμβατική θεωρία είναι ότι αυτοί οι γιγαντιαίοι πλανήτες δεν θα μπορούσαν να έχουν γεννηθεί τόσο κοντά στα αστέρια τους. Οι αλληλεπιδράσεις βαρύτητας με άλλα πλανητικά σώματα ή οι δυνάμεις βαρύτητας σε έναν αστρικό δίσκο πρέπει να έχουν φέρει αυτούς τους γίγαντες μέσω σπειροειδών τροχιών, κοντά στα αστέρια τους   μακρύτερα από τον τόπο της γεννήσεώς τους, σε πιό ψυχρές περιοχές, όπου αυτά διογκώθηκαν με αέριο και σκόνη καθώς αυτά διαμορφώθηκαν.

Ακόμη και τα μέτρια Ευρωπαϊκά διαστημικά τηλεσκόπια καθώς και των ΗΠΑ, και θα μπορούσαν να επιτρέψουν την ανίχνευση πολύ πολύ μικρότερων από τη Γη, πλανητών, με τις τεχνικές διέλευσης μέσα στην επόμενη δεκαετία. Οι πιθανότητες για την ανίχνευση θα είναι πιό προκλητικές, επειδή η ανίχνευση ενός πλανήτη που θα είναι σε τροχιά, με μια ανάλογη με τη Γη απόσταση από το άστρο του, θα σημάνει μια πολύ σφιχτότερη τροχιακή ευθυγράμμιση απαιτείται για μια διέλευση.

Και οι διελεύσεις θα είναι πολύ λιγότερο συχνές για τους πλανήτες με μια περίοδο περιστροφής ενός έτους, παρά μια περίοδος ημερών. Τελικά, η μελέτη της ατμόσφαιρας αυτών των πλανητών όπως η Γη, θα απαιτήσει λεπτολόγες μετρήσεις από τα μελλοντικά μεγαλύτερα διαστημικά τηλεσκόπια.