Astronomie

La concentration de gaz dans l'atmosphère d'une exoplanète peut-elle être découverte à partir de la longueur d'onde et du rayon d'absorption des données spectrales ?

La concentration de gaz dans l'atmosphère d'une exoplanète peut-elle être découverte à partir de la longueur d'onde et du rayon d'absorption des données spectrales ?

Je travaillais sur des données spectrales d'exoplanètes à partir desquelles je devais déduire la concentration de gaz. Cependant, les données de spectroscopie des exoplanètes ne contiennent que la longueur d'onde d'absorption et le rayon d'absorption. Existe-t-il un moyen de calculer la concentration des éléments dans l'atmosphère de l'exoplanète ?


Certes, mais ce n'est pas simple. Il y a beaucoup de dégénérescences impliquées, telles que de nombreuses molécules partageant des bandes d'absorption similaires, la présence de nuages, la diffusion, l'absorption se produisant à de nombreuses plages de pression différentes, la résolution des équations d'équilibre chimique de l'espèce et le profil de température modifiant également le spectre global. .

Il existe de nombreux modèles "Forward" disponibles en ligne, qui "résolvent" pour l'atmosphère (Donnez-vous le spectre théorique) d'une planète donnée pour certaines conditions initiales, telles que la métallicité, le rapport carbone / oxygène ou la concentration de molécules. Ce que vous voulez dans votre cas, c'est faire l'inverse, c'est-à-dire partir de vos données et aller aux ratios de mélange des différentes espèces. Vous pouvez le faire avec les modèles "Récupération", sur lesquels vous devriez à nouveau trouver des informations en ligne.

En supposant que vous travaillez avec des données de transit (ce que j'ai compris de votre message), vous pouvez souvent supposer une température constante pour toute l'atmosphère à la température d'équilibre de la planète, car le spectre de transmission est généralement moins affecté par le profil de température, car ils agissent plutôt comme des absorbeurs passifs.


Frontières en astronomieet sciences spatiales

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    Astronomie Chapitres 1-4

    ALSEP (forfait d'expérience de surface lunaire Apollo) :
    Vise à effectuer des études à long terme de la structure interne et de l'environnement local de la Lune.

    2. L'effet bague en diamant.

    3. Totalité. À ce stade, qui dure environ une minute, la couronne est visible. On peut aussi voir les perles de Bailey. (Les derniers éclairs lumineux de la lumière du soleil culminant à travers la surface lunaire rugueuse)

    5. Couverture partielle du Soleil comme en 1 (troisième à quatrième contact).

    La lumière du soleil qui traverse l'atmosphère terrestre est dispersée, comme au lever ou au coucher du soleil. La lumière bleue est dispersée dans toutes les directions, de sorte que la lumière qui tombe sur la Lune provient de l'extrémité rouge du spectre et la Lune apparaît d'une couleur rouge pâle.

    Le soleil est au centre du système solaire

    Planètes naines par ordre de distance au soleil : Cérès (dans la ceinture d'astéroïdes), Pluton, Haumea, Makemake, Eris

    Astéroïdes : rochers de plus de 10 m de diamètre. La plupart se trouvent dans la ceinture d'astéroïdes entre Mars et Jupiter

    Comètes : La glace, la poussière et les petites particules rocheuses ont un conte gazeux car elles se subliment à l'approche du soleil ont une orbite très excentrique. Situé dans le nuage d'Oort et la ceinture de Kuipler.

    Centaures : Objets célestes dont la composition est similaire à celle des comètes et la taille des astéroïdes. Situé entre Jupiter et Neptune

    Vénus : Caractéristiques de surface : Géologiquement jeune, preuve de structures volcaniques. Ambiance épaisse. Spins en rétrograde/Atmosphère : 96% de dioxyde de carbone, acide sulfurique. Force de la lumière du soleil 750K 400-1000% de celle de la Terre. Impossible de voir la surface visuellement en raison de la couverture nuageuse à 100 %. Pression de surface 90 fois supérieure à celle de la Terre

    Terre : 71 % Eau. Géologiquement actif. Croûte fine. La vie existe. Atmosphère moyenne - 78% Azote 21% Oxygène. Moyenne 290 K (22° Celsius). Mouvement de la croûte à travers la tectonique des plaques. Noyau intérieur et extérieur. Produit un champ magnétique.

    Mars : Système météorologique actif mais géologiquement éteint. Croûte épaisse. Indications d'écoulement d'eau dans le passé. Atmosphère fine - 95% Dioxyde de Carbone 3% Azote. 220 K
    Force de la lumière du soleil 35-50% de celle de la Terre. Noyau à faible densité. Les plus grandes montagnes et canyons du système solaire.

    Jupiter : les géantes gazeuses n'ont pas de surface solide. Bandes de nuages ​​visibles. Système d'anneaux très fins. 90% d'hydrogène
    10% d'atmosphère d'hélium. 125 K au sommet des nuages ​​Force de la lumière du soleil 3-4% de celle de la Terre. La plus grande planète. Pourrait contenir toutes les autres planètes en son sein. La tache rouge est une tempête de la taille de la Terre. Sphère aplatie en raison de la rotation rapide.

    Saturne : Géante gazeuse. De vastes anneaux autour de la planète. 96% Hydrogène 4% Hélium atmosphère. 95 K au sommet des nuages
    Force de la lumière du soleil 1% de celle de la Terre. Une faible densité signifie qu'il pourrait flotter dans l'eau.

    Uranus : géante gazeuse verte. Peu de fonctionnalités visibles. Système d'anneau noir. 83% Hydrogène 15% Hélium 2% Méthane Atmosphère. 55 K au sommet des nuages ​​Force de la lumière du soleil 0,2-0,3% de celle de la Terre. Petit noyau Ice-Rock. A un axe incliné et semble donc orbiter sur le côté.


    1. Introduction

    [2] Mars Express est la mission de l'Agence spatiale européenne (ESA) visant à récupérer la majeure partie de la science perdue avec l'échec du lancement de la fusée Proton en novembre 1996 de la mission russe Mars 96, une sonde spatiale de 4,8 tonnes visant à orbiter autour de la planète Mars. L'orbiteur Mars Express (masse de 1220 kg) a été lancé en juin 2003 et injecté sur une orbite polaire elliptique autour de Mars le 25 décembre 2003, avec une altitude péricentrique de 259 km, une altitude apocentrique de 11 559 km et une période de 7,57 h.

    [3] A bord de la mission russe Mars 96, l'instrument Spectroscopy for the Investigation of the Features of the Atmosphere of Mars (SPICAM) était dédié à l'étude de l'atmosphère de Mars de haut en bas, dans une variété de modes d'observation, y compris les occultations stellaires. L'étoile Spica, lorsqu'elle a été occultée par la Lune au 18ème siècle, a été soigneusement observée par les astronomes : sa lumière a diminué brusquement lorsqu'elle a été occultée par le limbe sombre de la Lune, et il a été correctement conclu qu'il n'y avait pas d'atmosphère autour de la Lune, car autrement , la réfraction aurait produit une atténuation progressive de l'étoile. L'acronyme SPICAM est un hommage à cette utilisation précoce de l'occultation stellaire.

    [4] L'instrument SPICAM à bord de Mars 96 était composé de deux ensembles d'instruments : un pour les occultations solaires, un pour les occultations stellaires et l'observation des membres. Avec le boîtier électronique commun, la masse totale était de 46 kg. Compte tenu de la masse de charge utile beaucoup plus limitée disponible sur Mars Express, nous avons dû changer radicalement la conception de l'instrument pour embarquer. L'équipe SPICAM a fait un effort de conception acharné pour proposer un nouvel instrument, appelé SPICAM Light, un instrument UV-IR de 4,7 kg dédié à récupérer la majeure partie de la science du SPICAM/Mars 96. L'économie de masse considérable de la configuration Mars 96 à la Le nouveau SPICAM Light a été obtenu en sacrifiant toute la partie visible du spectre à la fois dans les capteurs d'occultation solaire et stellaire, et en supprimant toute redondance entre les deux capteurs. De plus, la capacité de l'orbiteur Mars Express à changer l'orientation et à pointer dans une direction céleste définie rend inutile l'utilisation de plates-formes et de dispositifs de pointage utilisés sur Mars 96. SPICAM Light avait été initialement proposé comprenant un capteur IR d'occultation solaire (SOIR), hérité de ce qu'on appelle le paquet solaire de SPICAM/Mars 96. Ce capteur d'une masse de 3,8 kg se composait d'un spectromètre à réseau (1,2–4,8 μm, résolution 0,4–1 nm) pour le profilage vertical lors des occultations solaires de H2O, CO2, CO, aérosols et exploration de composés carbonés comme le méthane [ Bertaux et al., 2000 ]. En raison de contraintes de masse sévères de la mission, ce capteur a été retiré de la charge utile, la recommandation scientifique du comité de sélection étant de l'inclure « ... si la masse était disponible ». La messe n'est pas devenue disponible. Cependant, lors de la phase de développement de SPICAM, nous avons compris que nous pouvions encore mettre, dans notre allocation de masse, un spectromètre proche infrarouge extrêmement léger basé sur la technologie AOTF, principalement dédié aux mesures de vapeur d'eau à 1,38. μm, et conçu et fabriqué en Russie. L'ESA a accepté l'idée et ce nouveau spectromètre a été intégré au SPICAM.

    [5] Quatre autres instruments à bord de Mars Express sont également revolés de leur homologue Mars 96 : HRSC, OMEGA, PFS et ASPERA. Ces instruments n'ont pas changé leur conception de base, tandis que SPICAM a apporté des changements et des améliorations drastiques [ Bertaux et al., 2000 , 2004 ]. Il est juste de noter que PFS, HRSC et OMEGA ont changé leurs boîtiers électroniques par rapport à l'ancien design de Mars 96, avec une économie de masse supérieure à la masse de SPICAM Light (4,7 kg). Alors que le nom même de SPICAM Light devait souligner sa petite masse, après 2 ans de son opération réussie en orbite autour de Mars, nous avons décidé d'abandonner le suffixe Light et d'appeler l'instrument Mars Express comme son grand frère : SPICAM.

    [6] Une vue d'ensemble d'un certain nombre de résultats scientifiques est présentée, déjà publiée ou trouvée plus en détail comme documents d'accompagnement dans cette section spéciale. Les conclusions de SPICAM sont les suivantes :

    [7] 1. Les premiers profils verticaux de densité/température du CO2 (20-150 km) jamais obtenu à partir d'un orbiteur planétaire. Environ 1 ou 2 profils sont obtenus chaque jour, avec pour objectif la consolidation des modèles climatiques nécessaires à l'aérocapture, l'aérofreinage, et l'EDL (Entry, Descent, Landing).

    [8] 2. Nombreux profils verticaux d'ozone (un seul a été enregistré auparavant par la mission Phobos 2) et de couches nuageuses.

    [9] 3. La mesure systématique de l'ozone vertical total le long de la trajectoire du côté jour, à partir de son absorption UV imprimée dans la lumière solaire diffusée par le sol et l'atmosphère, fournissant la première carte climatique de l'ozone sur Mars, pour la validation de la chimie/ modèles de transports.

    [10] 4. La découverte de bandes NO de lueur nocturne dans les UV et implications pour le transport atmosphérique.

    [11] 5. La découverte de l'activité aurorale à proximité du champ magnétique résiduel de la croûte et une étude approfondie de l'ionosphère et de la haute atmosphère grâce à des observations aéronomiques à haute altitude de O, H, CO, CO + et CO2 + .

    [12] 6. La première mesure de H2O et CO2 spectre d'albédo UV des glaces.

    [13] Tous ces succès sont le résultat d'un instrument SPICAM très polyvalent, d'un vaisseau spatial très performant, et d'ingénieurs et scientifiques dédiés à la conception, la construction, les tests de l'instrument, l'intégration sur le vaisseau spatial et les opérations complexes gérées à l'ESTEC et à l'ESOC . L'instrument a été construit au Service d'Aéronomie du CNRS (France), BIRA (Belgique) et IKI (Russie), avec une direction au Service d'Aéronomie.

    [14] Dans cet article nous présentons un aperçu du spectromètre UV SPICAM, les différents modes d'observations, quelques statistiques sur le nombre d'observations, et un aperçu des principaux résultats scientifiques. Ces résultats scientifiques sont discutés séparément de manière beaucoup plus détaillée dans plusieurs articles dédiés (cette section spéciale) : la récupération des données d'occultation est discutée par Quémérais et al. [2006] , la cartographie de l'ozone total est présentée par Perrier et al. [2006] , le profilage vertical de l'ozone est discuté par Lebonnois et al. [2006] , les profils verticaux des poussières et aérosols sont discutés par Montmessin et al. [2006a] , la lumière du jour et la lumière de la nuit sont discutées par Leblanc et al. [2006] , et les mesures de poussière au niveau du limbe sont discutées par Rannou et al. [2006] . La description du spectromètre IR AOTF, son fonctionnement et les résultats globaux sont décrits par Korablev et al. [2006] . Mesures de vapeur d'eau (à 1,38 μm) sont présentés par Fedorova et al. [2006a] , tandis que les observations d'émission d'ozone à 1,27 μm sont discutés par Fedorova et al. [2006b] .

    [15] Cet article est organisé comme suit. Tout d'abord, un aperçu de SPICAM est présenté, avec une description assez détaillée du spectromètre UV. Les différents modes d'observation sont décrits. Ensuite, les performances en vol sont discutées, en termes de pointage, de calibration photométrique, de corrections de lumière parasite et de charge sombre. L'observation du nadir et des membres côté jour et côté nuit sont décrites, suivies des résultats des occultations d'étoiles. La dernière section est consacrée à un aperçu des mesures d'ozone UV SPICAM en mode nadir et occultation.

    [16] Les données SPICAM alimentent régulièrement la base de données Mars Express (MEX) au format PDS (Planetary Data System), accessible à l'ensemble de la communauté scientifique. Ce document est également destiné à fournir aux utilisateurs potentiels des données SPICAM les informations de base nécessaires sur l'instrument et les opérations, et à les attirer pour une analyse plus approfondie des données.


    AskScience AMA Series : Je m'appelle Veselin Kostov et je suis un chercheur spécialisé dans la détection, la vérification et la caractérisation des exoplanètes en transit de Kepler, K2 et TESS. AMA !

    Je suis chercheur au Goddard Space Flight Center de la NASA et à l'Institut SETI. Mes recherches portent sur la détection, la vérification et la caractérisation des exoplanètes en transit de Kepler, K2 et TESS, dans le but de comprendre comment ces exoplanètes se forment, évoluent et se comparent au système solaire.

    Désormais, les citoyens scientifiques peuvent également participer à la chasse aux exoplanètes en rejoignant Planet Patrol.

    L'objectif de Planet Patrol est double :

    Aidez les scientifiques à examiner des milliers de planètes candidates TESS en inspectant visuellement les étoiles vues par TESS.

    Utilisez les résultats pour aider à former des algorithmes de vérification automatisés et améliorer leur efficacité.

    Les méthodes automatisées de traitement des données TESS ne parviennent parfois pas à détecter les imposteurs qui ressemblent à des exoplanètes. L'œil humain est extrêmement doué pour repérer de tels imposteurs, et nous avons besoin de citoyens scientifiques pour nous aider à faire la distinction entre les sosies et les véritables planètes.

    Certaines des planètes candidates les plus excitantes sont difficiles à analyser. Par exemple, la Terre est une petite planète avec une longue orbite, ce qui signifie qu'elle générerait un signal faible dans les données et serait difficile à détecter, vérifier et finalement confirmer. Les volontaires de Planet Patrol m'aideront, ainsi que mon équipe, à passer au crible les images TESS d'exoplanètes potentielles en répondant à une série de questions pour chacune d'entre elles : par exemple si une image contient plusieurs sources lumineuses ou ressemble à de la lumière parasite, plutôt qu'à la lumière d'une étoile, ou est tout simplement trop bruyante pour une analyse détaillée. Ces questions nous aident à affiner la liste des planètes possibles pour une étude de suivi plus approfondie.

    Je serai disponible pour répondre à vos questions à 11h PDT (14h HE, 18 TU), AMA !


    Se rapprocher d'une exoplanète de la taille de la Terre (Kavli Hangout)

    Il y a près de 2 000 exoplanètes dans les livres, et on en sait beaucoup sur elles, du moins dans les grandes lignes, telles que leurs tailles, leurs masses et leurs distances par rapport à la Terre. Pourtant, les détails qui donnent à ces corps célestes leur individualité - le temps, les vents, l'air et même les couleurs de leur ciel - restent rares. Cela est particulièrement vrai pour le nombre croissant de petites exoplanètes de la taille de la Terre, à partir desquelles les astronomes espèrent glaner des indices sur la genèse potentielle de la vie ailleurs dans l'univers.

    Désormais, une nouvelle exoplanète annoncée dans la revue Nature et découverte par un membre du Kavli Institute for Astrophysics and Space Research du Massachusetts Institute of Technology (MIT), offre aux scientifiques l'une des meilleures chances de vraiment connaître une planète extraterrestre. Appelé GJ 1132b, il croise le visage d'une étoile naine rouge proche à seulement 40 années-lumière. Ces soi-disant transits – des mini-éclipses, en fait – ont permis aux chercheurs d'évaluer la taille de GJ 1132b à seulement 1,2 fois celle de la Terre. D'autres mesures ont révélé qu'elle possède une densité similaire à celle de notre planète rocheuse. Tout compte fait, GJ 1132b est la planète rocheuse de la taille de la Terre en transit la plus proche jamais repérée.

    Bien que trop chaude pour la vie, compte tenu de son obit étroit, la taille relativement grande de GJ 1132b par rapport à sa petite étoile en fait néanmoins un laboratoire planétaire idéal. Ce sera probablement l'une des premières cibles du télescope spatial James Webb, le successeur de Hubble lancé en 2018. Le Webb recueillera la lumière des étoiles traversant l'atmosphère de la planète, portant des marqueurs de sa composition. GJ 1132b pourrait ainsi servir de pierre de Rosette pour les futures caractérisations de petites exoplanètes.

    Le 28 octobre 2015, la Fondation Kavli s'est entretenue avec trois astrophysiciens sur les raisons pour lesquelles la découverte de GJ 1132b pourrait être cruciale dans la quête pour comprendre les mondes dans d'autres systèmes solaires.

    Zachory Berta Thompson — un chercheur exoplanétaire à l'Institut Kavli du MIT pour l'astrophysique et la recherche spatiale. Berta-Thompson est l'auteur principal du nouvel article sur Nature et fait partie du projet MEarth, qui surveille les naines rouges à proximité pour les transits d'exoplanètes et a localisé GJ 1132b.

    Élisabeth Newton - est co-auteur de l'article Nature, membre du projet MEarth et étudiant diplômé du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.

    Rory Barnes - est professeur adjoint de recherche au département d'astronomie et de programme d'astrobiologie de l'Université de Washington. Il est également membre du Virtual Planetary Lab de la NASA, qui simule des environnements exoplanétaires pour apprendre comment nous pourrions discerner à distance la présence de la vie grâce aux instruments scientifiques existants.

    Ce qui suit est une transcription révisée de leur discussion en table ronde. Les participants ont eu la possibilité de modifier ou d'éditer leurs remarques.

    La Fondation Kavli : Qu'est-ce qui est particulièrement important dans la découverte de cette nouvelle exoplanète, GJ 1132b ?

    Élisabeth Newton : Il y a beaucoup de découvertes d'exoplanètes - je pense que nous approchons probablement d'une moyenne d'une nouvelle exoplanète par jour. Mais la majorité de ces planètes orbitent autour d'étoiles très lointaines et très grandes. Ces deux facteurs contribuent à rendre difficile la compréhension réelle des propriétés d'une planète. GJ 1132b est trois fois plus proche de nous que toute autre planète de la taille de la Terre que nous connaissons, et elle orbite autour d'une petite étoile naine rouge qui ne fait qu'un cinquième de la taille du Soleil. C'est donc une des raisons pour lesquelles cette découverte est unique.

    Rory Barnes : Comme GJ 1132b est en orbite autour d'une étoile très différente du Soleil, la planète subit des processus géophysiques très différents au cours de son évolution. La planète sera probablement l'une de nos premières opportunités de comprendre certains de ces processus qui se déroulent sur les planètes autour des naines rouges. La NASA a un plan pour se concentrer vraiment sur ces petites étoiles rouges dans un avenir proche dans la recherche de la vie. Les naines rouges sont le type d'étoile le plus courant, représentant environ 80% de toutes les étoiles de la galaxie, et elles sont relativement faibles et petites, de sorte que leurs planètes sont plus faciles à discerner et à étudier pendant les événements de transit. Mais nous ne savons pas à quel point ces étoiles rouges peuvent être amicales à la vie.

    Zachory Berta-Thompson : C'est exact. Pour obtenir une image vraiment complète de ce à quoi ressemblent les exo-mondes, nous devons nous concentrer sur les planètes en transit à proximité, telles que GJ 1132b. On peut mesurer leurs tailles et leurs masses, leurs orbites et leurs atmosphères. Ce sera bien que nous puissions finalement faire ces tests très bientôt, même dans les cinq à dix prochaines années.

    R.B. : Il vaut la peine de garder à l'esprit que lorsque des gens comme Zach et Elisabeth trouvent ces planètes, elles ressemblent à une petite lumière stellaire dans un télescope - juste ces petits disques noirs croisant devant une étoile. Mais trouver une petite planète comme GJ 1132b autour d'une étoile proche est vraiment excitant car cela nous donne l'occasion de commencer à en apprendre davantage sur elles. Tout le monde s'attend à ce que les exoplanètes aient une grande diversité de propriétés. Lorsque nous regardons autour de notre système solaire, nous voyons une incroyable myriade de mondes, mais pourtant cela ne peut pas être toute la gamme. Les exoplanètes seront ces nouveaux mondes vraiment bizarres et étranges, et cela nous apprendra de quoi la nature est capable.

    TKF : Pourquoi la proximité des exoplanètes est-elle si importante pour pouvoir les étudier en détail ?

    FR: Le facteur le plus important est la luminosité. Si vous prenez une étoile comme GJ 1132 et que vous la placez 10 fois plus loin, ce sera beaucoup plus sombre. Cela rend la détection des planètes autour d'elle et toutes les études de suivi de ces planètes 100 fois plus difficiles, en raison de la façon dont l'intensité de la lumière diminue avec la distance, tout comme une lampe de poche semble plus faible lorsqu'elle est plus éloignée.

    Z.B-T. : Exactement. Toutes les mesures que nous faisons en astronomie se résument à peu près au comptage des photons - des particules de lumière - que nous obtenons de ces étoiles ou de ces planètes. Chaque petit peu plus loin que vous placez une planète, plus il est difficile de détecter ces photons.

    R.B. : GJ 1132b va être fantastique une fois que nous aurons mesuré ses propriétés atmosphériques. Chaque fois que vous aurez l'occasion de mesurer la composition atmosphérique d'une exoplanète, vous en apprendrez beaucoup sur la façon dont elle s'est formée et comment elle a évolué.

    TKF : À quoi pourrait-on s'attendre de l'atmosphère de GJ 1132b ?

    Z.B-T. : Je suis vraiment curieux d'entendre ce que Rory a à dire parce que pendant que nous écrivions l'article, nous en avons parlé. Notre expérience jusqu'à présent avec les exoplanètes est que nous sommes généralement surpris lorsque nous obtenons enfin des mesures.

    R.B. : Je suis d'accord avec toi. La seule chose à laquelle nous devons nous attendre avec les exoplanètes, c'est d'être surpris ! Nous pouvons certainement faire des suppositions grossières sur certains des résultats les plus probables. Par exemple, comme Zach l'a mentionné dans l'article, il existe une possibilité de niveaux élevés d'oxygène dans l'atmosphère de GJ 1132b. Cela résulte du fait que l'étoile hôte est peut-être beaucoup plus brillante pendant les premiers stades de la vie de cette planète. L'étoile aurait pu faire exploser une grande partie de l'hydrogène présent dans les molécules d'eau dans l'atmosphère, laissant derrière elle une atmosphère avec une grande composante d'oxygène qui pourrait encore être détectable aujourd'hui.

    TKF : L'oxygène sous sa forme moléculaire pourrait être le signe d'une activité biologique sur une planète, en présence d'autres gaz comme le méthane. Dans un Kavli Hangout l'année dernière sur la recherche de signes de vie dans l'atmosphère des exoplanètes, Zach a déclaré: "Au cours de la prochaine décennie, nous arrivons à peine à détecter quelque chose comme l'oxygène moléculaire dans l'atmosphère d'une planète", et avec le « vent dans le dos, nous pourrions peut-être… trouver la bonne planète, c'est-à-dire la bonne taille et la bonne température, et autour de l'une des très petites étoiles les plus proches, donc c'est facile à observer. » Ça sonne comme GJ 1132b, c'est ce dont tu parlais, Zach ?

    Z.B-T. : C'est presque exactement ce dont je parlais. Même si GJ 1132b est tout simplement trop chaud pour la vie, cela nous donne toujours l'occasion d'étudier l'atmosphère d'une planète rocheuse.

    R.B. : Je suis d'accord à 100 pour cent. Il n'y a aucune chance de vie sur celui-ci, malheureusement. Mais c'est passionnant de pouvoir étudier l'atmosphère de n'importe quelle planète rocheuse.

    Par exemple, l'une des choses les plus intéressantes que nous puissions rechercher dans l'atmosphère de GJ 1132b serait les signatures des volcans. GJ 1132b pourrait être extrêmement volcanique. Détecter juste une petite quantité d'excentricité, ou d'écart par rapport à la circularité parfaite, dans l'orbite de la planète pourrait la transformer en quelque chose que j'aime appeler un "super-Io". Ce serait comme la lune volcanique Io de Jupiter, "à face de pizza", ici dans le système solaire, à l'exception d'un corps beaucoup plus gros. Ce serait vraiment excitant de pouvoir localiser une planète en dehors de notre système solaire où nous savons que des volcans sont en éruption.

    Pour en revenir à la possibilité de l'oxygène et du GJ 1132b, l'oxygène est un élément très réactif, il n'aime donc pas rester dans l'atmosphère. Mais si vous avez suffisamment d'oxygène, vous pouvez submerger toutes les différentes méthodes par lesquelles il est éliminé. Il est donc certainement possible que nous trouvions de l'oxygène sur GJ 1132b et ce ne serait pas du tout dû à la vie. L'oxygène pourrait résulter d'un aspect intéressant de l'évolution de son étoile hôte, qui diffère de ce que notre Soleil. Notre Soleil a atteint sa taille actuelle relativement rapidement, alors que les naines rouges peuvent traverser cette très longue période de très grande et brillante.

    TKF : Elisabeth, vos recherches se concentrent sur les étoiles naines rouges proches, comme GJ 1132. Que savons-nous de l'étoile et pourquoi est-elle importante ?

    FR: Sans connaître la masse et le rayon de l'étoile, vous avez en fait très peu de compréhension de la taille de ses planètes en transit. Si notre rayon estimé pour l'étoile est décalé de 30%, alors le rayon estimé de notre planète est également décalé de 30% - les mesures sont liées. Pour cette étoile, cela signifie que l'information la plus importante dont nous disposons est la distance de l'étoile à notre système solaire. Nous avons également mesuré la quantité de lumière qu'il émet. Si nous connaissons la distance d'une étoile et sa luminosité, nous pouvons calculer sa luminosité intrinsèque. La véritable luminosité nous donne une assez bonne idée de la masse et du rayon de l'étoile.

    Une autre propriété clé qui vient immédiatement à l'esprit est la « métallicité » de l'étoile, c'est-à-dire la proportion de sa composition chimique constituée d'éléments plus lourds que l'hydrogène et l'hélium. La métallicité est importante pour connaître la quantité d'éléments plus lourds qui étaient présents lorsque les planètes de l'étoile se sont formées. Pour une petite étoile comme GJ 1132, nous obtenons souvent des lectures de métallicité en utilisant une technique appelée spectroscopie proche infrarouge. En l'occurrence, j'avais rassemblé un spectre proche infrarouge de l'étoile il y a environ quatre ans, alors que nous n'avions aucune idée qu'il y avait une planète autour d'elle !

    Z.B-T. : C'était une très bonne prévoyance. [Rire]

    FR: Ce spectre nous a dit que GJ 1132 est un peu moins riche en métaux que le Soleil, mais le nuage de gaz et de poussière qui a formé GJ 1132 contenait manifestement suffisamment de métaux pour former des corps rocheux comme GJ 1132b.

    Une autre propriété importante est l'âge de l'étoile. Nous pouvons avoir une idée de la durée de la période de rotation de l'étoile, et GJ 1132b en a une longue - nous l'avons mesurée à 125 jours. Nous pensons donc que GJ 1132 est assez ancien, peut-être environ cinq à sept milliards d'années. Ainsi, même sur le bas de gamme, cela signifie que GJ 1132 est à peu près aussi vieux que notre Soleil. S'il y avait des planètes en plus de GJ 1132b qui orbitent plus loin dans sa « zone habitable » tempérée, en théorie, elles auraient eu beaucoup de temps pour développer la vie, comme ici sur Terre.

    TKF : Des observations ont révélé que les étoiles naines rouges ont plus d'activité d'éruption solaire que notre Soleil. Ces éruptions expulsent de vastes torrents d'énergie et de particules dans l'espace qui irradient les planètes voisines. GJ 1132b peut-il nous éclairer sur l'impact de ces éruptions sur l'évolution planétaire et potentiellement biologique ?

    R.B. : Nous sommes à une distance assez sûre de notre Soleil. Mais les zones habitables des planètes autour des naines rouges sont très proches de leur étoile. Cela rend les planètes sensibles aux effets du torchage et à l'activité de leur étoile hôte, bien plus que sur Terre. Le torchage peut en fait dépouiller une atmosphère et cela, bien sûr, n'est pas bon pour la vie. Vous avez besoin d'une atmosphère pour respirer et pour maintenir des températures quelque peu agréables. Si vous perdez votre atmosphère, c'est un très gros problème.

    Mais nous ne savons pas si beaucoup de torchage va nécessairement être un tueur dans tous les cas. Il est certainement possible de maintenir des champs magnétiques sur ces planètes qui peuvent dévier les particules à haute énergie des éruptions. Lorsque vous avez des planètes comme GJ 1132b, cela vous offre la possibilité de commencer enfin à étudier ce genre d'effets en détail. C'est une planète inhabitable, mais cela nous donne l'occasion de tester certains de nos modèles sur ce qui se passe dans la zone habitable autour des naines rouges.

    Z.B-T. : Absolument. La question : « Est-ce qu'une planète de zone habitable autour d'une naine rouge a une atmosphère ? est ouvert. C'est l'une des choses qui me passionne le plus à propos de GJ 1132b. S'il a été capable de conserver son atmosphère dans un environnement si rude si proche de l'une de ces étoiles naines rouges, alors cela serait certainement de très bon augure pour une planète plus froide, plus semblable à la Terre, plus éloignée d'avoir une atmosphère ainsi que.

    TKF : GJ 1132b nous aidera-t-il à comprendre comment des exoplanètes autrement habitables peuvent se verrouiller par marée sur des étoiles naines rouges, de la même manière que notre Lune montre toujours la même face à la Terre ? Le verrouillage des marées sur une étoile, selon certaines études réalisées par Rory et d'autres, pourrait être désastreux pour la vie extraterrestre sur une exoplanète. Un côté du monde rôtirait dans une journée constante, tandis que son autre hémisphère gèlerait solidement dans la nuit perpétuelle.

    Z.B-T. : Je pense qu'il sera difficile de mesurer si GJ 1132b est verrouillé en fonction de la marée. Si la planète n'a pas d'atmosphère, vous pourriez regarder la chaleur qu'elle émet lorsqu'elle tourne sur son axe de notre point de vue, et vous pourriez être en mesure de dire s'il y a un jour permanent et une nuit permanente. Mais cette mesure nécessiterait une compréhension approfondie des propriétés de la roche de surface de la planète et serait encore plus délicate s'il y avait une atmosphère. Donc, je ne sais pas ! Mais je suis certainement intéressé par les implications théoriques pour l'atmosphère de GJ 1132b, et en disant cela, je passerai le relais à Rory.

    R.B. : Il est vraiment difficile d'imaginer comment GJ 1132b n'est pas verrouillé en fonction de la marée. Lorsque vous avez une planète si proche de son étoile sur une période orbitale d'un ou deux jours seulement, une "année" sur GJ 1132b dure 1,6 jour terrestre ! - il peut se bloquer en raison de la marée en quelques dizaines ou centaines de milliers d'années seulement.

    La question est donc « comment observez-vous cet effet ? Zach vous a donné une très bonne explication pour une possibilité qui pourrait fonctionner s'il n'y a pas d'atmosphère. Mais je soupçonne que GJ 1132b aura une atmosphère à peu près quoi qu'il arrive. Parce qu'elle est si proche de son étoile, la lumière des étoiles va faire fondre des roches à sa surface, ce qui va produire un peu d'atmosphère. Et s'il y a une sorte de réchauffement des marées sur la planète, comme ce qui se passe sur Io, alors ce sera intensément volcanique. Bien sûr, l'atmosphère peut être dépouillé. Vous pouvez éventuellement atteindre un point où aucun autre type d'élément ne peut s'évaporer, vous vous retrouverez donc avec une boule de roche nue.

    En tout cas, une fois que nous pourrons obtenir quelque chose comme le télescope spatial James Webb pour regarder GJ 1132b, cela nous permettra au moins d'essayer d'interpréter les effets des naines rouges sur leurs exoplanètes.

    TKF : Existe-t-il probablement des exoplanètes encore meilleures dans notre voisinage cosmique à cibler avec le télescope spatial James Webb, ou GJ 1132b est-il à peu près aussi bon que nous pouvons l'espérer ?

    Z.B-T. : Il y a de l'ordre de 400 à 500 systèmes stellaires plus proches que GJ 1132, mais sur les milliards d'étoiles de la galaxie, c'est un nombre relativement petit ! Parce que presque toutes les étoiles ont des planètes, il y a certainement des planètes qui sont plus proches que GJ 1132b. Jusqu'à présent, cependant, nous ne connaissons que deux planètes plus proches qui transitent par leurs étoiles, mais ces exoplanètes ne sont pas aussi petites et froides en température que GJ 1132b.

    D'après ce que nous savons des statistiques des planètes autour des étoiles, il devrait y avoir quelque chose comme 10 à 20 planètes en transit plus proches que GJ 1132b. Il y a une mission lancée en 2017 appelée TESS - le Transiting Exoplanet Survey Satellite - qui va sortir et essayer de trouver ces planètes en transit très proches.

    En plus de cela, nous recherchons également d'autres planètes dans le système GJ 1132. L'une des choses que nous avons apprises au cours des deux dernières années est que les systèmes planétaires multiples sont très courants autour de petites étoiles comme celle-ci. Nous regardons avec MEarth, les télescopes dont nous disposons déjà pour observer l'étoile. And we just found out we were awarded time with the Spitzer Space Telescope to stare at the star for four days straight to see if we can detect any transits of much smaller planets. GJ 1132b is probably about the smallest planet we could have possibly detected with the data that we have gathered so far. But if we push a little bit deeper, it could be that there are smaller planets lurking in nearby orbits that we could pick up very soon.

    TKF: You're all in relatively early portions of your careers. What does it feel like to have all these exoplanet discoveries happening right now?


    LIFE DETECTION CAPABILITIES OF LUVOIR AND HABEX

    Shawn Domagal-Goldman of NASA Goddard Space Flight Center began his talk by emphasizing the need for collaboration and complementarity in the search for biosignatures. He said that the properties of the exoplanet population discovered to date have caused us to reconsider how planetary systems form and evolve.

    The next major step, he said, is to characterize their chemical compositions. It has already been done a bit with the Hubble and Spitzer space telescopes, but it will ramp up with the launch of the James Webb Space Telescope (JWST) and then later with the Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST). The most successful planet discovery techniques to date, the radial velocity and transit techniques, are biased towards planets close to their host stars. Conversely, WFIRST&rsquos microlensing mission will be biased towards the outer planets, completing the census of exoplanets. Its coronagraph could also characterize gas giant exoplanets, and a starshade&mdashan option that has been studied but not approved&mdashcould enable the search for potential biosignatures. Extremely large ground-based telescopes are now being developed that should be able to do not only transit spectroscopy (which would be biased

    towards the stratosphere), but also direct imaging of planets&mdashperhaps even rocky ones&mdashin the habitable zones of M dwarfs. However, Domagal-Goldman is concerned about the habitability of planets orbiting M dwarfs due to the possibility that they would have lost their atmospheres due to high-energy radiation from their host stars.

    Potential and Desired Telescope Specifications

    Therefore, Domagal-Goldman said, we should think about how to complement JWST and the extremely large, ground-based telescopes and look beyond M dwarfs. One question is what the wavelength range should be. Ideally, a telescope will need to look at wavelengths shorter than both those JWST is able to observe and those for which ground-based adaptive optics are optimized&mdashthat is, the UV and visible. The near-infrared is nonetheless also an interesting region. The wavelength range can help mitigate false positives and increase user knowledge of the environmental context (see Figure 5.2). For exoplanets, this means identifying as many gases and their abundances as possible, which means a wide wavelength range. Domagal-Goldman likes the idea of using the flux or kinetics of biosignatures as a discriminant, a conclusion independently reached in the earlier presentation by Tori Hoehler. Abiotic production of many molecular species proceeds at a rate that is orders of magnitude lower than would be expected through production by life. This contrasts with the concentrations of gases, for which abiotic processes can lead to higher values of oxygen and ozone than biotic ones.

    The challenge to identifying or constraining fluxes is that it requires a great deal of environmental context. The teams for LUVOIR and HabEx, he said, want the lower wavelength cutoff to be set at about 100 nm to characterize the far UV starlight that produces a lot of photochemistry as an important constraint on the abiotic sources of oxygen and ozone. However, the wavelength cutoff for directly imaging planets would be 300 to 400 nanometers. Although WFIRST is only planning a maximum wavelength of 1 micron, LUVOIR and HabEx are considering going out to 2 to 3 microns. This would yield the detection of O2, ô3, H2O, CH4, and high levels of CO and CO2. This set of gases would allow for identification of high flux rates of O2 and CH4 to modern Earth&rsquos atmosphere, and discrimination of Earth&rsquos O2 as biogenic in origin. Obtaining this wide wavelength range is difficult. Maintaining UV capability requires clean mirrors, but when cooling the telescope below 260 K in order to observe in

    FIGURE 5.2 Spectrum of Earth as seen from Saturn. SOURCE: NASA Space Telescope Science Institute (STSciI) presented in Shawn Domagal-Goldman, &ldquoLife-Detection Capabilities of LUVOIR and HabEX . . . and WFIRST,&rdquo presentation to the Workshop on Searching for Life across Space and Time, December 6, 2016.

    the infrared, precipitates will appear on the mirror&rsquos surface. Keeping the telescope above 260 K, however, will degrade observations beyond about 1.8 microns. On the other hand, the extension out to at least 1.8 microns will maintain the ability to detect the suite of gases required to constrain oxygen fluxes.

    Another technical challenge, according to Domagal-Goldman, is the starlight suppression. Using a starshade flying in formation significantly lessens the burdens placed on the telescope itself. Another advantage of a starshade over a coronagraph is that there is no outer working angle, meaning that outer planets potentially as far as Kuiper belt distances will remain visible. However, a major disadvantage is that, as the observations move to longer wavelengths or are made with larger telescopes, the starshades become quite large. To observe at 2 microns on a mission like HabEx or to observe at any wavelengths with a large telescope like LUVOIR, a starshade with a diameter of about 100 m is required. Packing a starshade of that size would be challenging. The biggest challenge, he said, may be the edge tolerance of the starshade petals. A coronagraph, on the other hand, suppresses the starlight within the telescope. However, waveform distortions from the optics must be corrected. In a segmented mirror, this can be done by making very stiff segments and ensuring they do not move with respect to each other with active control systems. The mechanisms for doing this have all flown before, and the control systems required are already in operation on ground-based systems such as Keck. Thus, in theory, all the components are in place for this to work. In practice, however, this has not yet been demonstrated at the systems level at the precision required to suppress starlight sufficiently to detect and characterize potential Earth-like worlds.

    Both LUVOIR and HabEx are proposed to observe potentially habitable planets and search for potential biosignatures. However, HabEx will be optimized for planets while enabling a broader range of general astrophysical observations. LUVOIR, on the other hand, will be a general observatory for a variety of astrophysical goals, including exoplanets. The two missions also have different levels of ambition. HabEx aims to search for planets around enough stars to have a very good chance at characterizing at least one rocky planet in the habitable zone of another star. LUVOIR, on the other hand, will attempt to characterize dozens of such worlds. LUVOIR will also be able to constrain the abundance of any property on those worlds, including a biosignature or combination of biosignatures, to a level of

    10 percent. Due to the uncertainty of future budgets and scientific and technological discoveries, Domagal-Goldman wants several options to be prepared for different future realities.

    Each mission has two different potential architectures depending primarily on the telescope&rsquos aperture size. For reference, the Hubble Space Telescope and WFIRST each have a diameter of 2.4 m. The HabEx team is considering using either one 4-m, monolithic mirror or a 6.5-m segmented mirror (either hexagonal or pie-shaped), the same size as JWST. The LUVOIR design team is deciding between a 9-m and a 16-m architecture, both segmented. This is the largest telescope a launch vehicle could reasonably fit. He then simulated an observation of Europa with a

    10-m LUVOIR, which would be able to clearly see the structure of the claimed plume. Domagal-Goldman then simulated the number of potentially Earth-like planets observable as a function of aperture size. For a telescope with a 4-m, 8-m, or 16-m aperture, approximately 6, 25, or 100 potentially Earth-like planets would be observable, respectively. The more candidates observable, the more precise the constraints are on the fraction of rocky planets in the habitable zone. However, these telescopes won&rsquot just find potential Earths. They will find everything more detectable than Earth too. Even for the 4-m mission, dozens of other (likely) uninhabitable worlds will also be discovered, such as a warm Titan. A 12-m mission would likely find Jupiter analogs and warm Jupiters. Larger apertures allow for a higher cadence of observations, so more of the temporal domain is observable. This opens up techniques such as longitudinal mapping of planetary surfaces and maybe even latitudinal mapping using seasonal or orbital variations.

    Notional Instruments

    Instruments are being considered for both telescopes. Domagal-Goldman said that both are likely to have a starlight suppression technique, probably a coronagraph. LUVOIR is planning an instrument called the Optical-IR Band Spectroscopy Coronagraph for Understanding Rocky Atmospheres (OBSCURA). The goal for OBSCURA is to get a contrast ratio of <10 10 with low resolution spectroscopy (R > 150) from 0.2 to 0.4 or up to 1.8 to 2.4 &mum if the stretch goal is met.

    Another LUVOIR instrument is the UV Multi-Object Spectrograph (LUMOS). This would extend from the far- to the near-UV and have a high resolution of about R &asymp 100,000. When used in multi-object mode, its resolu-


    The Kavli Foundation: Q&A on Earth-sized Exoplanet GJ1132b

    By: The Editors of Sky & Telescope November 16, 2015 0

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    A newfound alien world orbiting a small, nearby star could be one of the first exoplanets scientists get to investigate in detail. Three astrophysicists discuss the possibilities.

    An artist's impression of an exoplanet transiting a red dwarf star in the same way as the newfound, Earth-size exoplanet, GJ 1132b. (Credit: ESO/L. Calçada)

    There are nearly 2,000 exoplanets on the books, and much is known about them, at least in broad strokes, such as their size, mass and distance. Yet the details that give these celestial bodies their individuality—such as weather, winds, air, and even the colors of their skies—remain scant. This is particularly true for the growing number of small, Earth-size exoplanets, from which astronomers hope to glean clues about life's potential genesis elsewhere in the universe.

    Now a newfound exoplanet announced today in the journal Nature, and discovered by a member of the Kavli Institute for Astrophysics and Space Research at the Massachusetts Institute of Technology, offers scientists one of the best chances to truly know an extraterrestrial planet. Called GJ 1132b, it crosses the face of a nearby red dwarf star only 40 light-years away. These so-called transits—mini-eclipses, really—have allowed researchers to gauge GJ 1132b's size as just 1.2 times that of Earth's. Other measurements have revealed it boasts a similar density to our rocky planet. All told, GJ 1132b is the closest transiting, Earth-size, rocky planet ever spotted.

    GJ 1132b is too hot for life because of its tight orbit, but its relatively large size compared to its star nevertheless makes it an ideal planetary laboratory. It will likely be one of the first targets of the James Webb Space Telescope, Hubble's successor, launching in 2018. The Webb will gather starlight streaming through the planet's atmosphere, bearing markers of its composition. GJ 1132b might thereby serve as a Rosetta Stone for future characterizations of small exoplanets.

    Read a conversation with three astrophysicists, courtesy of the Kavli Foundation, about why the discovery of GJ 1132b could be crucial to the quest to understand worlds in other solar systems.

    • Zachory Berta-Thompson – is a Torres Fellow for Exoplanetary Research at the Massachusetts Institute of Technology's Kavli Institute for Astrophysics and Space Research (MKI). Berta-Thompson is the lead author of the new Nature paper and is part of the MEarth Project, which monitors nearby red dwarfs for exoplanet transits and pinpointed GJ 1132b.
    • Elisabeth Newton – is a co-author of the Nature paper, a member of the MEarth Project and a graduate student at the Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.
    • Rory Barnes – is a research assistant professor in the Department of Astronomy and Astrobiology Program at the University of Washington. He is also member of NASA's Virtual Planetary Lab that simulates exoplanetary environments to learn how we might remotely discern the presence of life through our scientific instruments.

    The following is an edited transcript of their roundtable discussion. The participants have been provided the opportunity to amend or edit their remarks.

    THE KAVLI FOUNDATION: What is uniquely important about the discovery of this new exoplanet, GJ 1132b?

    ELISABETH NEWTON: There are many exoplanet discoveries—I think we're probably approaching an average of one new exoplanet per day. But the majority of those planets orbit stars that are very far away and very large. Those two factors contribute to making it difficult to actually understand what the properties of a planet are. GJ 1132b is three times closer to us than any other Earth-sized planet we know of, and it orbits a small red dwarf star that is just one-fifth the size of the Sun. So that's one of the reasons why this discovery is unique.

    RORY BARNES: Because GJ 1132b is orbiting a star that's very different from the Sun, the planet is undergoing very different geophysical processes as it evolves. And it will probably offer one of the first opportunities to understand some of these processes happening on planets around red dwarfs. In fact, NASA has a plan to really focus on these small, red stars in the near future in the search for life. Red dwarfs are the most common type of star, making up something like 80 percent of all stars in the galaxy, and they are relatively dim and small, so their planets are easier to discern and study during transit events. But we don't know just how friendly to life these red stars might be.

    ZACHORY BERTA-THOMPSON: C'est exact. To get a really complete picture of what exo-worlds are like, we need to focus on nearby, transiting planets, such as GJ 1132b. We can measure their sizes and their masses, their orbits and their atmospheres. It will be nice that we can ultimately do these tests sometime soon, even in the next five to 10 years.

    BARNES: It's worth keeping in mind that when people like Zach and Elisabeth find these planets, they just look like a little dimming of starlight in a telescope—just these little black disks crossing in front a star. But finding a small planet like GJ 1132b around a nearby star is really exciting because it gives us an opportunity to start to learn about them. Everybody expects exoplanets to have a huge diversity of properties. When we look around our Solar System, we see an amazing myriad of worlds, but yet that can't be the full range. Exoplanets are going to be these really bizarre, strange new worlds, and that will teach us about what nature is capable of.

    TKF: Why is the proximity of exoplanets so important for being able to study them in detail?

    NEWTON: The biggest factor is brightness. If you take a star that's like GJ 1132 and you put it 10 times further away, it's going to be a lot dimmer. That makes the detection of planets around it and all the follow-up studies of these planets 100 times harder, because of how the intensity of light diminishes over distance, just as a flashlight appears dimmer when it's farther away.

    BERTA-THOMPSON: Exactly. All the measurements that we make in astronomy pretty much boil down to counting the photons—particles of light—that we get from these stars or these planets. Every little bit farther away that you put a planet, the more difficult it is to detect those photons.

    BARNES: GJ 1132b is going to be fantastic once we actually measure its atmospheric properties. Anytime you have a chance to measure the atmospheric composition of an exoplanet you're going to learn a lot about how it formed and how it evolved.

    TKF: What do you think GJ 1132b's atmosphere might be like?

    BERTA-THOMPSON: I'm really curious to hear what Rory has to say because as we wrote the paper, we talked about that. Our experience so far with exoplanets is that we're usually surprised when we finally get measurements.

    BARNES: I agree with you. The one thing we should expect with exoplanets is to be surprised! We can certainly make some crude guesses as to some of the most likely outcomes. For example, as Zach mentioned in the paper, there is the possibility of high oxygen levels in GJ 1132b's atmosphere. That could result from the host star being much brighter during the early stages of this planet's lifetime. The star could have blasted off a lot of the hydrogen that was present in water molecules in the atmosphere, leaving behind an atmosphere with a large oxygen component that might still be detectable today.

    TKF: Oxygen, in the presence of other gases such as methane, could be a sign of biological activity on a planet. In aKavli Hangout last year about the search for signs of life in exoplanets' atmospheres, Zach said: "In the next decade we are just barely getting to the edge of being able to detect something like molecular oxygen in a planet’s atmosphere," and with the "wind at our backs we may just be able to . . . find the right planet, meaning it's the right size and the right temperature, and around one of the very closest very small stars so it’s easy to observe.’ It sounds like GJ 1132b is what you were talking about, Zach?

    BERTA-THOMPSON: It's almost exactly what I was talking about. Even though GJ 1132b is just too gosh darn hot for life, it still gives us an opportunity to study the atmosphere of a rocky planet.

    BARNES: I agree 100 percent. There is no chance of life on this one, unfortunately. But it is exciting to be able to study the atmosphere of any rocky planet.

    For example, one of the most interesting things we can look for in the atmosphere of GJ 1132b would be signatures of volcanoes. GJ 1132b could be extremely volcanic. Detecting just a small amount of eccentricity, or deviation from perfect circularity, in the planet's orbit could turn it into something that I like to call a "Super-Io." This would be like Jupiter's volcanic, "pizza-faced" moon Io, here in the Solar System, except a much larger body. It would be really exciting to be able to pin down a planet outside of our Solar System where we know volcanoes are erupting.

    Turning back to the possibility of oxygen and GJ 1132b, oxygen is a very reactive element, so it doesn't like to hang around in an atmosphere. But if you have enough oxygen, you can overwhelm all the different methods by which it gets removed. So it's certainly possible we could find oxygen on GJ 1132b and it would not be due to life by any stretch. The oxygen could result from an interesting aspect of its host star's evolution, which differs from what our Sun underwent. Our Sun reached its current size relatively quickly, whereas red dwarfs can go through this very long period of being very big and bright.

    TKF: Elisabeth, your research focuses on nearby red dwarf stars, such as GJ 1132. What do we know about the star and why is it important?

    NEWTON: Without knowing the star's mass and radius, you actually have very little understanding of the size of its transiting planets. If our estimated radius for the star is off by 30 percent, then our estimated planet radius is also off by 30 percent because the measurements are linked. For this star, that means the single most important information we have is the star's distance from our Solar System. We have also measured how much light it emits. If we know a star's distance and how bright it appears, we can calculate how intrinsically luminous it is. The true brightness gives us a pretty good idea of the star's mass and radius.

    Another key property that comes immediately to mind is the star's "metallicity," or how much of its chemical composition consists of elements heavier than hydrogen and helium. Metallicity is important for knowing the amount of heavier elements that were present when the star's planets formed. For a small star like GJ 1132, we often obtain metallicity readings using a technique called near-infrared spectroscopy. As it so happened, I had gathered a near-infrared spectrum of the star about four years ago, when we had no idea it had a planet around it!

    BERTA-THOMPSON: That was very good foresight. [Laughter]

    NEWTON: That spectrum told us that GJ 1132 is a bit less metal-rich than the Sun, but the cloud of gas and dust that formed GJ 1132 evidently had enough metals in it to form rocky bodies like GJ 1132b.

    Another important property is the star's age. We can get a sense of that from how long the star's rotation period is, and GJ 1132b has a long one—we measured it at 125 days. We therefore think GJ 1132 is fairly old, maybe around 5- to 7-billion-years. So, even on the low end, that means GJ 1132 is about as old as our Sun. If it has planets besides GJ 1132b that orbit farther out in its temperate, "habitable zone," in theory they would have had plenty of time to develop life, like here on Earth.

    TKF: Observations have revealed that red dwarf stars have more solar flare activity than our Sun. These flares expel vast torrents of energy and particles into space that irradiate nearby planets. Can GJ 1132b shed some light on the impact of these flares?

    BARNES: We're at a pretty safe distance from our Sun. But the habitable zones for planets around red dwarfs are very close into their star. That makes the planets susceptible to the effects of the flaring and the activity of their host star, much more so than on Earth. The flaring can actually strip an atmosphere away and that, of course, is not good for life. You need an atmosphere to breathe and to keep temperatures somewhat pleasant. If you lose your atmosphere, that's a really big problem.

    But we don't know if a lot of flaring is necessarily going to be a killer in every case. It's certainly possible to sustain magnetic fields on these planets that can deflect the flares' high-energy particles. When you have planets like GJ 1132b, it affords you the opportunity to finally start studying these kinds of effects in details. It's an uninhabitable planet, but it is giving us the opportunity to test some of our models about what is happening in the habitable zone around red dwarfs.

    BERTA-THOMPSON: Absolutely. The question, "Does a habitable-zone planet around a red dwarf have an atmosphere?" is open. That's one of the things that's most exciting to me about GJ 1132b. If it has been able to hold on to its atmosphere in so harsh an environment, then that would certainly bode very well for a cooler, more Earth-like planet farther out to have an atmosphere as well.

    TKF: Will GJ 1132b help us understand how otherwise habitable exoplanets can become tidally locked to red dwarf stars, in the same way our Moon always shows the same face to Earth? Tidal locking to a star, according to some studies Rory and others have done, might be disastrous for alien life on an exoplanet. One side of the world would roast in a constant daytime, while the other hemisphere would freeze solid in perpetual night.

    BERTA-THOMPSON: I think it's going to be tricky to measure if GJ 1132b is tidally locked. If the planet doesn't have an atmosphere, you could look at the heat the planet emits as it rotates on its axis from our perspective, and you might be able to tell if there is a permanent daytime and a permanent nighttime. But this measurement would require a deep understanding of the planet's surface rock properties and would be even trickier if there is an atmosphere. So, I don’t know! But I'm certainly interested in the theoretical implications for GJ 1132b's atmosphere, and by saying so I will pass the baton to Rory.

    BARNES: It's really hard to imagine how GJ 1132b isn't tidally locked. When you have a planet that's so close into its star on just a one or two-day orbital period—a "year" on GJ 1132b lasts 1.6 Earth days!—it can tidally lock within just tens or hundreds of thousands of years.

    So the question is then, "how do you observe this effect?" Zach gave you a very nice explanation for one possibility that might work if there isn't an atmosphere. But my suspicion is that GJ 1132b will have an atmosphere pretty much no matter what. Because it's so close to its star, starlight is going to be melting rocks on its surface, which is going to produce a bit of an atmosphere. And if there is any sort of tidal heating in the planet, like what happens on Io, then it's going to be intensely volcanic. Of course, the atmosphere can be stripped away. You can eventually reach a point where there's just no other kind of element that can evaporate, so you'd end up with a naked ball of rock

    At any rate, once we can get something like the James Webb Space Telescope to look at GJ 1132b, that'll at least get us down the road of actually trying to interpret the effects of red dwarfs on their exoplanets.

    TKF: Are there likely even better exoplanets in our cosmic neighborhood to target with the James Webb Space Telescope, or is GJ 1132b about as good as we can hope for?

    The MEarth South telescope array at the Cerro Tololo Inter-American Observatory in Chile. Each telescope monitors its own set of nearby red dwarfs for exoplanet transits. (Credit: Harvard/CfA/MEarth)

    BERTA-THOMPSON: There are on the order of about 400 to 500 star systems closer than GJ 1132, but out of the billions of stars in the galaxy, that's a relatively small number! Because almost every star has planets, there are definitely planets that are closer than GJ 1132b. So far, though, we only know of two closer planets that transit their stars, but these exoplanets are not as small and cool in temperature as GJ 1132b.

    Based on what we know about the statistics of planets around stars, there should be something like 10 to 20 transiting planets closer than GJ 1132b. There's a mission being launched in 2017 called TESS—the Transiting Exoplanet Survey Satellite—that's going to go out and try to find those very nearby transiting planets.

    On top of that, we're also still looking for other planets in the GJ 1132 system. One of the things we've learned in the past couple of years is that multiple planet systems are very common around small stars like this one. We're looking with MEarth, the telescopes we already have observing the star. And we just found out we were awarded time with the Spitzer Space Telescope to stare at the star for four days straight to see if we can detect any transits of much smaller planets. GJ 1132b is probably about the smallest planet we could have possibly detected with the data that we have gathered so far. But if we push a little bit deeper, it could be that there are smaller planets lurking in nearby orbits that we could pick up very soon.

    TKF: You're all in relatively early portions of your careers. What does it feel like to have all these exoplanet discoveries happening right now?

    BERTA-THOMPSON: The most exciting thing to me is thinking about what the decades to come will hold for GJ 1132b . . . to be able to imagine what the telescopes that we're building right now will see when we look at it, and even the telescopes that will come after. It's really inspiring to think about the future discoveries that our students will make, or our students' students will make.

    BARNES: This is obviously exciting times to be an astronomer studying exoplanets. I have been studying them now for about 15 years, so I've witnessed a lot of the growth of the field. When I was a graduate student, it was unfathomable to me that we'd be sitting here talking about Earth-like, Earth-sized planets in our solar neighborhood, and yet here we are. In just a few years, we're going to be launching TESS and James Webb and we're actually going to be finding potentially habitable planets and characterizing their atmospheres. We're going to finally start answering some of these questions that have plagued mankind for millennia about whether are we alone and how common are planets. It's almost mindboggling to me that it's really where we're at!

    NEWTON: As Rory mentioned before, exoplanets have been offering up surprises since we first started finding them. So I have a hard time imagining what the future will bring. Will there be life on other planets? I'm pretty pessimistic I don't know if we'll find that. But the opportunities are finally coming, and I'm really just beginning my career. There's so much room over the coming decades to develop new techniques and new instruments that I think the possibilities really are endless."


    Affiliations

    Instituto de Astronomía, Universidad Católica del Norte, Avenida Angamos 0610, Antofagasta, Chile

    Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Auf dem Hügel 69, Bonn, 53121, Germany

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    Contributions

    K.O. wrote the telescope proposal and the first draft of the paper, carried out the observations, data reduction, and image reconstruction, and worked on data interpretation. G.W. and K.-H.H. were co-authors on the telescope proposal and worked on data reduction and interpretation.

    Auteur correspondant


    Images from the Hubble telescope

    Hubble telescope captures spectacular image of globular cluster

    Embryonic Stars Emerge from Interstellar 'Eggs'

    Hubble Space Telescope image of Crab Nebula, a six-light-year-wide expanding remnant of a star's supernova explosion.


    Voir la vidéo: Hauki syö sorsan!!!! (Juillet 2021).