Výzkumy v AsÚ AV ČR (138): Atmosféry exoplanet dvoumetrovými dalekohledy

Drtivá většina objevů extrasolárních planet z poslední doby má za sebou tzv. tranzitní metodu. Planeta přechází přes disk hvězdy a tím zakrývá část její fotosféry. Dalekohled pak měří malou změnu toku záření. Ze světelné křivky, tedy závislosti zářivého toku na čase, lze planetu „na dálku“ změřit a jsou-li k dispozici i další informace, tak i zvážit. 

Planety objevené tranzitní metodou mají ještě jednou důležitou výhodu oproti objektům objevenými jinými metodami. Je-li tato planeta obklopena atmosférou, tak atomy a molekuly v atmosféře hvězdy alespoň částečně se světlem hvězdy v pozadí interagují a zanechávají v záření detekovaném vzdáleným pozorovatelem svůj podpis. 

Měření tzv. transmisní spektroskopií vyžaduje nebývalou přesnost spektrografů společně s velkým spektrálním rozlišením, a tak jsou studie doposud omezené pouze na přístroje napájené těmi největšími dalekohledy. Počet objevených exoplanet však neutěšeně narůstá, s novými kosmickými misemi TESS a PLATO poroste ještě rychleji a o pozorovací čas na velkých dalekohledech se už teď vedou velké konkurenční boje v soutěžích. 

Po světě je však nemalé množství menších dalekohledů, spadajících do třídy „dvoumetrů“, mezi nimi i Perkův dalekohled ASU v Ondřejově. O pozorovací časy na těchto z dnešního pohledu malých dalekohledech není takový zájem a charakterizace exoplanetárních atmosfér by tak byla zajímavým pozorovacím programem. Ostatně první vůbec detekovaná atmosféra extrasolární planety byla oznámena z pozorování Hubbleovým kosmickým dalekohledem, což je také „dvoumetr“.

Dalším aspektem, který hraje v této nesnadné úloze roli je to, že pozorování jsou tak náročná na přesnost spektrografu a redukce dat, že je více než vhodné provádět analýzu více přístroji s různými vlastnostmi. Jen tak se lze vyhnout falešným výsledkům, které mohou mít původ v systematických efektech daného přístroje. S ohledem na tento fakt už přestávají být ty největší dalekohledy v konkurenci jiných projektů použitelné, neboť „kontrolní pozorování“ vyhrávají soutěže o pozorovací čas jen výjimečně. 

Petr Kabáth s rozsáhlým týmem astronomů z českých astronomických institucí i ze zahraničí publikovali případovou studii pozorování exoplanetární atmosféry „malým dalekohledem“. V rámci českého času na 2,2-metrovém dalekohledu na stanovišti La Silla Evropské jižní observatoře s připojeným spektrografem FEROS získali spektra exoplanety WASP-18b pokrývající celou viditelnou oblast i část infračervené oblasti. WASP-18b je horký Jupiter (s hmotností asi 10 hmotností Jupiteru, poloměrem asi 1,17 Jupiteru, povrchovou teplotou 2400 K a oběžnou dobou 0,941 dne) obíhající hvězdu hlavní posloupnosti spektrálního typu F6 s hmotností i rozměrem asi 1,2 Sluncí. Tato hvězda má vizuální hvězdnou velikost 9,3 magnitudy. V druhé polovině noci 31. října 2016 tak astronomové získali celkově 13 spekter, každé s expoziční dobou 15 minut. Pět z těchto spekter bylo pořízeno ve fázi mimo transit exoplanety, zbývajících osm pak během transitu. Během pozorování byly dobré pozorovací podmínky, spektra byla tedy pořízena s relativně dobrý poměrem signálu k šumu. 

Spektra byla zpracována s pomocí standardních postupů. Ze spekter mimo zákryt byla jejich zprůměrováním vytvořena šablona záření hvězdy (předpokládá se, že ve viditelné oblasti v této fázi planeta ke světlu nepřispívá), jíž pak bylo vyděleno každé spektrum pořízené v průběhu zákrytu. Dělením se zvýrazní změny ve vzhledu spektra, které jsou na vrub atmosféry planety. 

Prohlídka spektrálních reziduí neukázala žádné významné změny související s možným příspěvkem atmosféry, umožnila ale stanovit spodní limit tohoto typu pozorování. Podobná exoplaneta HD189733b byla v minulosti stejnou metodikou pozorována přístrojem HARPS napájeným 3,6metrovým dalekohledem. Porovnáme-li tato dvě pozorování a vezmeme-li v úvahu potřebné korekční faktory, docházíme k závěru, že jsou obě různá pozorování vůči sobě konzistentní. 

Autoři provedli také numerický test a ukázali, že kdyby byly zkoumané sodíkové čáry exoplanety  stejně silné jako na HD189733b, byly by bezpečně detekovány i dvoumetrovým dalekohledem. Autoři poukazují také na možné změny observační strategie, které možnost detekce slabších exoplanetárních atmosfér malými dalekohledy zvyšují. 

Astronomové tak docházejí k optimistickému závěru, že i s pomocí dvoumetrových dalekohledů lze získat užitečné informace o atmosférách exoplanet. Musí se však vybírat vhodní kandidáti. U hvězd se zdánlivou jasností 10 magnitud je třeba očekávat jednotlivé expozice kolem 30 minut. Výhodou pak mohou být opakovaná pozorování v různých tranzitech. To s sebou nese další požadavek na dlouhodobou stabilitu přístroje a také na nutnost monitorování případné aktivity hvězdy samotné, neboť i ta by se prokreslila do spektrálních reziduí. Z 471 kandidátů oznámených nejnovější družicí TESS by několik desítek exemplářů bylo vhodných pro studium i s pomocí dvoumetrových dalekohledů. Pokud se tato statistika zachová po celý průběh mise TESS, lze očekávat stovky až tisíce exoplanet vhodných ke studiu atmosfér dvoumetrovými dalekohledy. To není zrovna málo, a tak mají dnes občas opomíjené přístroje před sebou zářivou budoucnost, pokud se na tomto programu

REFERENCE

P. Kabáth a kol., Detection limits of exoplanetary atmospheres with 2-m class telescopes, Publications of the Astronomical Society of the Pacific, v tisku, preprint arXiv:1905.04665

KONTAKTY

Dipl.-Phys. Petr Kabáth, Dr. rer. nat.
petr.kabath@asu.cas.cz
Stelární oddělení Astronomického ústavu AV ČR

Zdroje a doporučené odkazy:
[1] Stelární oddělení ASU AV ČR

Převzato: Astronomický ústav AV ČR, v. v. i.