Các nhà thiên văn học sử dụng Kính viễn vọng Không gian James Webb để nghiên cứu bầu khí quyển thiên hà ngoại hành tinh HAT-P-18 b, tìm thấy hơi nước và carbon dioxide với sự nhấn mạnh vào ảnh hưởng của các đặc tính của ngôi sao chủ đến việc phân tích dữ liệu.

Được dẫn dắt bởi các nhà nghiên cứu từ Viện nghiên cứu ngoại hành tinh Trottier (iREx) của Đại học Montréal, một nhóm các nhà thiên văn học đã khai thác sức mạnh của Kính viễn vọng Không gian James Webb (JWST) mang tính cách mạng để nghiên cứu “các hành tinh nóng”. sao Thổ“Ngoại hành tinh HAT-P-18 b.

Phát hiện của họ đã được công bố vào tháng trước trên tạp chí Thông báo hàng tháng của Hiệp hội Thiên văn Hoàng giavẽ một bức tranh hoàn chỉnh về bầu khí quyển của HAT-P-18 b trong khi khám phá thách thức lớn trong việc phân biệt tín hiệu khí quyển với hoạt động của ngôi sao của nó.

HAT-P-18 b nằm cách chúng ta hơn 500 năm ánh sáng, có khối lượng tương tự Sao Thổ nhưng có kích thước gần bằng hành tinh lớn hơn. sao Mộc. Kết quả là ngoại hành tinh có bầu khí quyển “sưng húp” đặc biệt lý tưởng để phân tích.

Biểu diễn nghệ thuật của ngoại hành tinh “Sao Thổ nóng”, HAT-P-18 b. Tín dụng: NASA/Mắt trên các hành tinh ngoài hành tinh

Vượt qua một ngôi sao lốm đốm

Các quan sát được thực hiện từ Kính viễn vọng Không gian James Webb khi HAT-P-18 b đi qua phía trước ngôi sao giống mặt trời của nó. Khoảnh khắc này được gọi là quá cảnh và rất cần thiết để phát hiện và mô tả đặc điểm của một ngoại hành tinh cách xa hàng trăm năm ánh sáng với độ chính xác đáng kinh ngạc.

Các nhà thiên văn học không quan sát trực tiếp ánh sáng phát ra từ hành tinh xa xôi. Thay vào đó, họ nghiên cứu cách ánh sáng của ngôi sao trung tâm bị chặn và bị ảnh hưởng bởi hành tinh quay quanh nó, và do đó phải cố gắng tách các tín hiệu phát sinh từ sự hiện diện của hành tinh khỏi các tín hiệu phát sinh từ đặc tính của chính ngôi sao.

Đường cong ánh sáng biểu thị độ sáng hoặc độ sáng của một ngôi sao theo thời gian. Khi một ngoại hành tinh đi ngang qua ngôi sao, được gọi là quá cảnh, một phần ánh sáng của ngôi sao bị ngoại hành tinh chặn lại. Kết quả là độ sáng của ngôi sao giảm đi. Khi một vết sao che khuất bề mặt ngôi sao hoặc khi một ngoại hành tinh đi qua vết tối, các nhà thiên văn học có thể nhìn thấy tín hiệu trên đường cong ánh sáng dưới dạng một vết sưng nhỏ ở cuối đường cong ánh sáng đi qua. Xem hình ảnh động đầy đủ của biểu đồ này dưới đây. Nguồn: B Gougeon/Đại học Montréal

Giống như Mặt trời của chúng ta, các ngôi sao không có bề mặt đồng nhất. Nó có thể chứa các đốm sao tối và vùng sáng, có thể tạo ra các tín hiệu mô phỏng các đặc điểm của bầu khí quyển hành tinh. Một nghiên cứu gần đây về ngoại hành tinh TRAPPIST-1 b và ngôi sao TRAPPIST-1 của nó, do nghiên cứu sinh tiến sĩ Olivia Lim của UdeM dẫn đầu, đã chứng kiến ​​một vụ nổ hoặc ánh sáng bùng lên trên bề mặt ngôi sao, ảnh hưởng đến việc quan sát.

Trong trường hợp HAT-P-18 b, Webb đã có thể chụp được ngoại hành tinh khi nó đi qua một điểm tối trên ngôi sao HAT-P-18 của nó. Đây được gọi là sự kiện chéo cục bộ và tác động của nó được thể hiện rõ qua dữ liệu được thu thập cho nghiên cứu mới. Nhóm iREx cũng báo cáo sự hiện diện của một số điểm sao khác trên bề mặt HAT-P-18 không bị ngoại hành tinh che khuất.

Để xác định chính xác thành phần khí quyển của ngoại hành tinh, các nhà nghiên cứu phải mô hình hóa đồng thời bầu khí quyển của hành tinh cũng như các đặc tính của ngôi sao của nó. Họ chỉ ra trong nghiên cứu của mình rằng việc xem xét như vậy sẽ rất quan trọng trong việc giải quyết các quan sát ngoại hành tinh Webb trong tương lai nhằm khai thác tối đa tiềm năng của nó.

Tác giả chính Marilou Fournier-Tondreau cho biết: “Chúng tôi nhận thấy rằng việc tính toán ô nhiễm sao có nghĩa là các đốm và đám mây thay vì sương mù và thu hồi lượng hơi nước dồi dào ở mức xấp xỉ thấp hơn”.

Fournier Tondreau, người đã làm công việc này với tư cách là sinh viên thạc sĩ tại iREx và hiện đang theo đuổi bằng tiến sĩ, nói thêm: “Vì vậy, việc nhìn vào ngôi sao chủ của hệ thống sẽ tạo ra sự khác biệt lớn”. bên trong Đại học Oxford.

“Đây thực sự là lần đầu tiên chúng tôi phân tách rõ ràng sương mù khỏi các đốm sao, nhờ thiết bị NIRISS (Máy chụp ảnh cận hồng ngoại và máy quang phổ không khe) ở Canada, cung cấp phạm vi phủ sóng bước sóng rộng hơn, mở rộng đến phạm vi ánh sáng khả kiến.”

Nước, carbon dioxide và mây trong bầu không khí cháy

Sau khi lập mô hình ngoại hành tinh và ngôi sao trong hệ thống HAT-P-18, các nhà thiên văn học của iREx đã thực hiện phân tích vi mô thành phần khí quyển của HAT-P-18 b. Bằng cách kiểm tra ánh sáng lọc qua bầu khí quyển của ngoại hành tinh khi nó đi qua ngôi sao chủ của nó, các nhà nghiên cứu đã phát hiện sự hiện diện của hơi nước (H2O) và carbon dioxide (CO2).

Các nhà nghiên cứu cũng khám phá sự hiện diện có thể có của natri và quan sát thấy các dấu hiệu mạnh mẽ của bề mặt đám mây trong bầu khí quyển của HAT-P-18 b, dường như làm tắt tín hiệu của nhiều phân tử bên trong nó. Họ cũng kết luận rằng bề mặt của ngôi sao bị bao phủ bởi nhiều điểm tối có thể ảnh hưởng đáng kể đến việc giải thích dữ liệu.

Một phân tích trước đây về cùng dữ liệu của Kính viễn vọng Không gian James Webb do một nhóm từ Đại học Johns Hopkins dẫn đầu cũng cho thấy sự phát hiện rõ ràng về nước và carbon dioxide, nhưng cũng báo cáo việc phát hiện các hạt nhỏ ở độ cao lớn gọi là sol khí và tìm thấy dấu vết của khí mê-tan (CH4). ). Các nhà thiên văn học của iREx vẽ nên một bức tranh khác.

Việc phát hiện CH4 vẫn chưa được xác nhận và hàm lượng nước mà họ xác định được thấp hơn 10 lần so với phát hiện trước đó. Họ cũng phát hiện ra rằng phát hiện về đám mây mù của nghiên cứu trước đó có thể là do các đốm sao trên bề mặt ngôi sao gây ra, nhấn mạnh tầm quan trọng của việc tính đến ngôi sao trong phân tích.

Một ngoại hành tinh có thể hỗ trợ sự sống? Không thể xảy ra. Trong khi các phân tử như nước, carbon dioxide và metan có thể được hiểu là dấu hiệu sinh học hoặc dấu hiệu của sự sống, theo tỷ lệ nhất định hoặc kết hợp với các phân tử khác, nhiệt độ thiêu đốt của HAT-P-18 b là gần 600 độ. độ C Nó không phải là điềm báo tốt cho khả năng sinh sống của hành tinh này.

Những quan sát trong tương lai từ một thiết bị khác của Kính viễn vọng Không gian James Webb, Máy quang phổ cận hồng ngoại (NIRSpec), hứa hẹn sẽ giúp cải thiện những phát hiện của nhóm, chẳng hạn như phát hiện ra carbon dioxide và làm sáng tỏ hơn về sự phức tạp của ngoại hành tinh nóng bỏng này của Sao Thổ .

Tham khảo: “Quang phổ truyền hồng ngoại gần của HAT-P-18 b với NIRISS: giải cấu trúc các đặc điểm hành tinh và sao trong kỷ nguyên JWST” của Marilou Fournier Tondreau, Ryan J. MacDonald, Michael Radica, David Lafrenière, Louis Wilbanks, Carolyn Piolette, Louis Philippe Coulombe, Romain Allart, Kim Morel, Etienne Artigao, Loic Albert, Olivia Lim, Rene Doyon, Björn Beneke, Jason F. Roux, Antoine Darvaux-Bernier, Nicholas B. Cowan, Nicole K. Lewis, Neil James Cook, Laura Flagg, Frédéric Genest, Stephane Pelletier, Doug Johnston, Lisa Đặng, Lisa Kaltenegger, Jake Taylor và Jake D. Turner, ngày 9 tháng 12 năm 2023, Thông báo hàng tháng của Hiệp hội Thiên văn Hoàng gia.
doi: 10.1093/manras/stad3813