Nová metoda průzkumu atmosfér exoplanet

ESO 027/12 tisková zpráva

Planeta u hvězdy Tau Bootis konečně odhalena

Důmyslná nová metoda poprvé umožnila astronomům detailní průzkum atmosféry exoplanety, která nepřechází před diskem své mateřské hvězdy. Mezinárodní tým astronomů využil dalekohled ESO/VLT k přímému zachycení slabého světla planety Tau Bootis b. Patnáct let po jejím objevu tak mohli vědci poprvé detailně zkoumat její atmosféru, stanovit parametry oběžné dráhy a spolehlivě určit hmotnost planety. Astronomové překvapivě zjistili, že atmosféra této planety je pravděpodobně chladnější ve velkých výškách, což je přesný opak toho, co očekávali. Výsledky byly publikovány 28. června 2012 odborném časopise Nature.

Planeta Tau Bootis b [1] byla nalezena již v roce 1996 a patří k prvním objeveným exoplanetám. Hvězda Tau Bootis je jednou z nejbližších stálic, o které víme, že má exoplanetu. Ačkoliv hvězda samotná je viditelná pouhým okem, planeta samozřejmě takto jednoduše pozorovatelná není. Ve skutečnosti ji známe jen díky gravitačnímu vlivu na mateřskou hvězdu. Tau Bootis b je velkou planetou typu ‚horký Jupiter‘ a obíhá velmi blízko své hvězdy. 
 
Tato planeta (stejně jako většina exoplanet) z našeho pohledu nepřechází přes disk mateřské hvězdy (podobný úkaz v naší Sluneční soustavě – přechod planety Venuše – jsme mohli pozorovat 6. června 2012). Dosud však byly právě tranzity nezbytné ke studiu atmosfér horkých Jupiterů: když planeta přechází přes kotouček mateřské hvězdy, lze ve světle hvězdy sledovat změny vyvolané atmosférou exopanety. Jelikož z našeho pohledu přes atmosféru Tau Bootis b žádné světlo neprochází, nebylo dosud možné ji zkoumat.

Nyní po patnácti letech pokusů o studium slabé záře emitované touto exoplanetou astronomové konečně uspěli. Podařilo se jim prozkoumat strukturu atmosféry a spolehlivě určit hmotnost planety Tau Bootis b. Členové týmu k tomu použili zařízeni CRIRES [2] ve spojení s dalekohledem ESO/VLT, který pracuje na observatoři ESO Paranal v Chile. Vysoce kvalitní pozorování provedená v infračerveném oboru na vlnové délce 2,3 mikrometru [3] však museli zkombinovat s důmyslným trikem, který jim umožnil oddělit slabý signál planety od mnohem silnějšího světla mateřské hvězdy [4].  

Vedoucí autor článku Matteo Brogi (Leiden Observatory, Holandsko) vysvětluje: „Vysoká kvalita pozorování pomocí dalekohledu VLT a přístroje CRIRES nám umožnila zkoumat spektrum tohoto systému mnohem detailněji, než bylo dosud možné. Z planety pochází pouze 0,01 % světla, zbytek připadá na hvězdu, takže to opravdu nebylo jednoduché pozorování.“   

Většina planet kolem cizích hvězd byla objevena díky jejich gravitačnímu působení na mateřskou hvězdu. Tato metoda však poskytuje o tělese jen omezené množství informací; prakticky umožňuje zjistit pouze dolní limit hmotnosti tělesa [5]. Nová metoda, kterou vědci použili při pozorování planety Tau Bootis b, je v tomto ohledu mnohem účinnější. Přímé pozorování světla planety umožňuje astronomům určit sklon dráhy planety vůči pozorovateli a díky tomu přesněji stanovit její hmotnost. Sledováním změn pohybu planety při oběhu kolem hvězdy se členům týmu podařilo spolehlivě změřit, že planeta Tau Bootis b obíhá se sklonem 44° vůči zornému paprsku a má šestkrát vyšší hmotnost než Jupiter. 

„Tato nová pozorování dalekohledem VLT umožnila vyřešit 15 let trvající problém s určením hmotnosti planety Tau Bootis b. Nová metoda rovněž přináší možnost zkoumat atmosféry exoplanet, které nepřecházejí přes disk mateřské hvězdy, a rovněž určit jejich hmotnost, což nebylo doposud možné,“ říká Ignas Snellen (Leiden Observatory, Holandsko), spoluautor článku. “Je to výrazný pokrok.”
 
Kromě detekce slabého světla exoplanety Tau Bootis b a stanovení její hmotnosti zkoumali členové týmu také její atmosféru – zjišťovali zastoupení oxidu uhelnatého a na základě srovnání napozorovaných dat s teoretickými modely určovali teplotu v různých výškách. Tato práce přinesla překvapující výsledek. Nová pozorování naznačují, že teplota atmosféry s výškou klesá. To je však naprosto opačná situace, než u jiných horkých Jupiterů, kde se vyskytuje teplotní inverze (teplota atmosféry s výškou roste). [6], [7]
  
Pozorování pomocí dalekohledu VLT ukazují, že spektroskopie s vysokým rozlišením prováděná velkými pozemními dalekohledy, je účinným nástrojem k detailnímu zkoumání netranzitujících exoplanet a jejich atmosfér. V budoucnu budou vědci schopni rozlišit různé molekuly, což umožní podrobněji zkoumat atmosférické podmínky. Sledováním planety a měřením změn podél její dráhy pak bude možné odhalit rozdíly mezi ranní a odpolední stranou.
 
„Tato studie ukazuje na enormní potenciál současných a budoucích pozemních dalekohledů, jako například E-ELT. Jednoho dne bychom tímto způsobem mohli dokonce nalézt známky biologické aktivity na planetách podobných Zemi,“ dodává Ignas Snellen.

Zdroj

Poznámky

[1] Jméno planety Tau Bootis b kombinuje jméno hvězdy (Tau Bootis neboli τ Bootis, kde τ je řecké písmeno’tau‘) s označením ‚b‘, které znamená, že se jedná o první planetu nalezenou u této hvězdy. Označení Tau Bootis je užíváno pro samotnou hvězdu.

[2] CRyogenic InfraRed Echelle Spectrometer

[3] Mateřská hvězda vyzařuje na vlnových délkách infračerveného záření méně světla než ve viditelném oboru. Využití infračerveného oboru je tedy vhodnější pro nalezení slabého signálu planety.

[4] Metoda využívá rychlého pohybu planety po oběžné dráze kolem mateřské hvězdy k odlišení záření planety od hvězdy i od spektrálních otisků naší vlastní atmosféry. Stejný tým astronomů testoval již dříve tuto metodu na tranzitující exoplanetě, když měřil její rychlost při přechodu přes disk hvězdy. 

[5] Sklon dráhy vůči zornému paprsku je obecně neznámý. Pokud se hmotnější planeta pohybuje po dráze s vysokým sklonem vzhledem k zornému paprsku, vyvolá stejný pohyb hvězdy tam a zpět, jako méně hmotná planeta na dráze s nízkým sklonem. Tyto dva efekty není možné tímto způsobem odlišit.

[6] Na základě interpretace fotometrických měření horkých Jupiterů pomocí dalekohledu Spitzer Space Telescope se předpokládá, že teplotní inverze je charakterizována spíše molekulární emisí než absorbcí. Exoplaneta HD209458b patří k nejlépe prozkoumaným příkladům teplotní inverze v atmosférách exoplanet.  

[7] Toto pozorování podporuje modely, ve kterých jsou ultrafialové emise spojené s chromosférickou aktivitou – podobnou té, jakou vykazuje mateřská hvězda planety Tau Bootis b – zodpovědné za potlačení teplotní inverze v atmosféře planety.

Další informace

Výzkum byl prezentován v článku "The signature of orbital motion from the dayside of the planet τ Boötis b", který vyšel 28. června 2012 v odborném časopise Nature.

Složení týmu:  Matteo Brogi (Leiden Observatory, Holandsko), Ignas A. G. Snellen (Leiden Observatory), Remco J. de Kok (SRON, Utrecht, Holandsko), Simon Albrecht (Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, USA), Jayne Birkby (Leiden Observatory) a Ernst J. W. de Mooij (Leiden Observatory; University of Toronto, Kanada).

V roce 2012 slavíme 50. výročí založení ESO. ESO (Evropská jižní observatoř) je hlavní mezinárodní astronomickou organizací Evropy a patří k nejproduktivnějším astronomickým observatořím světa. Je podporována 15 členskými státy, kterými jsou: Belgie, Brazílie, Česká republika, Dánsko, Finsko, Francie, Itálie, Německo, Nizozemí, Portugalsko, Rakousko, Španělsko, Švédsko, Švýcarsko a Velká Británie. ESO má za cíl vývoj, konstrukci a provoz výkonných pozemních astronomických zařízení, která umožní významné vědecké objevy. ESO také hraje přední roli při propagaci a organizaci mezinárodní spolupráce na poli astronomického výzkumu. ESO v současnosti provozuje tři observatoře světově úrovně: La Silla, Paranal a Chajnantor, které se nacházejí na poušti Atacama v Chile. Na Paranalu se nachází VLT (Very Large Telescope = Velmi velký dalekohled) – nejvyspělejší pozemní dalekohled pracující ve viditelném světle a VISTA, největší přehlídkový dalekohled pro infračervenou oblast na světě. Zároveň je ESO evropským zástupcem největšího astronomického projektu všech dob – teleskopu ALMA budovaného na planině Chajnantor. V současnosti ESO plánuje výstavbu Evropského extrémně velkého dalekohledu (E-ELT), který bude mít průměr primárního zrcadla 40 metrů. Měl by pracovat v infračerveném i viditelném oboru záření a stane se největším dalekohledem světa.

Odkazy

• odborný článek Nature
• snímky dalekohledu VLT
• další záběry pořízeneé dalekohledem VLT

Kontakty

Viktor Votruba; národní kontakt; Astronomický ústav AV ČR, 251 65 Ondřejov, Česká republika; Email: votruba@physics.muni.cz

Jiří Srba; překlad; Hvězdárna Valašské Meziříčí, p. o., Česká republika; Email: jsrba@astrovm.cz

Ignas Snellen; Leiden Observatory, Leiden University; Leiden, The Netherlands; Tel: +31 715 275838
Email: snellen@strw.leidenuniv.nl

Matteo Brogi; Leiden Observatory, Leiden University; Leiden, The Neherlands; Tel: +31 715 278434
Email: brogi@strw.leidenuniv.nl

Jayne Birkby; Leiden Observatory, Leiden University; Leiden, The Netherlands; Tel: +31 715 275832
Email: birkby@strw.leidenuniv.nl

Richard Hook; ESO, La Silla, Paranal, E-ELT & Survey Telescopes Press Officer; Garching bei München, Germany; Tel: +49 89 3200 6655; Cell: +49 151 1537 3591; Email: rhook@eso.org

Remco de Kok; Space Research Organization Netherlands (SRON); Utrecht, The Netherlands; Tel: +31 88 777 5725
Email: R.J.de.Kok@sron.nl

Toto je překlad tiskové zprávy ESO eso1227. ESON -- ESON (ESO Science Outreach Network) je skupina spolupracovníku z jednotlivých členských zemí ESO, jejichž úkolem je sloužit jako kontaktní osoby pro lokální média.