Interpreting the Rich Chemistry of Exoplanet Atmospheres

A main goal of exoplanet science is to widen our understanding of planetary physics. To date, spectroscopic observations of transiting exoplanets are the leading techniques for the characterization of atmospheric temperatures and compositions. Generally, researchers have modeled the chemistry of hot exoplanets assuming thermochemical equilibrium; however, to interpret the physics of warm and temperate exoplanets it is necessary to quantify the effects of disequilibrium chemistry. This is not possible without the detection of multiple species in their atmospheres. Recent observation with the GIANO-B infrared high-resolution spectrograph have leadfor the first timeto the simultaneous detection of the main CNO-bearing species in exoplanet atmospheres (H2O, CO, CO2, CH4, NH3, HCN, and C2H2), allowing us to probe which chemical processes dominate the physical properties of exoplanets with unprecedented detail. We aim to answer the following fundamental questions of planetary atmospheric physics: (1) What is the atmospheric composition of exoplanets? (2) When and to which extent different chemical processes alter an observed composition? (3) What is the elemental compositional budget of these atmospheres (e.g., C/H, N/H, C/O ratios)? (4) Infer how did these planets form and evolve given their present (observed) compositions? We will tailor our Bayesian atmospheric retrieval framework for high-resolution cross-correlation observations. We will develop atmospheric models under equilibrium and disequilibrium chemistry (quenching) for use as forward models and retrievals. First, we will use these models to explore the impact of disequilibrium chemistry on exoplanets and their spectra. Then, we will apply these tools to the unrivaled characterizing power of GIANO-B observations. The INAF-Torino collaboration will guarantee access to a sample of 1630 exoplanets. The systematic study of this sample will produce statistically robust composition constraints and allow us to test which chemical processes are consistent with the observations. We will bring together state-of-the-art research methods for (1) high-resolution analyses, (2) a Bayesian statistics framework, and (3) chemistry models under equilibrium and disequilibrium prescriptions. No such ensemble of tools exists today in the field. We will provide immediate community access by releasing the developed software as open-source code. Finally, we will apply these techniques to GIANO-B observations; therefore, combining the best available observational resources with cutting-edge data- and theoretical-modeling resources in the field. In this way, we will improve our understanding of disequilibrium chemistry.

Ziel dieses Projekts ist es, die chemische Zusammensetzung von Gasriesen außerhalb unseres Sonnensystems besser zu verstehen - insbesondere die Wechselwirkungen zwischen dynamischen und chemischen Prozessen in ihren Atmosphären. Im Rahmen des Projekts wurden neue Modellierungswerkzeuge entwickelt und auf reale Beobachtungsdaten angewendet, um herauszufinden, welche physikalischen und chemischen Prozesse dabei eine zentrale Rolle spielen. Besonders hervorzuheben ist die Entwicklung einer Pipeline, mit der kombinierte Daten von Weltraum- und bodengestützten Teleskopen interpretiert werden können. Wir analysierten bodengebundene Beobachtungen, die mit dem Spektrographen GIANO-B für drei Planeten gemacht wurden: WASP-80b, WASP-69b und HAT-P-11b. Unsere Studien zeigten das Vorkommen mehrerer chemischer Spezies in deren Atmosphären (wie Wasser, Kohlenmonoxid, Ammoniak oder Methan). Dies weist entweder auf chemische Prozesse hin, die die Atmosphärenzusammensetzung aus dem Gleichgewicht bringen, oder auf eine Elementverteilung, die sich stark von den Erwartungen aus dem Sonnensystem unterscheidet - oder auf beides. Diese Beobachtungen führten auch zu neuen Folgebeobachtungen von WASP-69b mit dem James Webb Space Telescope (JWST), deren Daten in Zukunft ausgewertet werden sollen. Als Teil unserer Bemühungen, den Einfluss chemischer Prozesse auf Exoplanetenatmosphären besser zu verstehen, entwickelten wir Gen TSO - ein neues Simulationswerkzeug zur Planung von JWST-Beobachtungen. Gen TSO ermöglicht es Wissenschaftler\*innen, die statistische Aussagekraft von JWST für den Nachweis atmosphärischer Moleküle abzuschätzen und so die Fähigkeit von JWST zu testen, zwischen unterschiedlichen chemischen und planetaren Entstehungstheorien zu unterscheiden. Das Tool ist quelloffen verfügbar und stellt damit eine praktische Ressource für die Forschungsgemeinschaft dar. Die in diesem Projekt entwickelten Modelle setzen neue Maßstäbe für die Interpretation von Exoplanetenbeobachtungen und bilden die Grundlage für eine genauere Charakterisierung von Atmosphären im JWST-Zeitalter und darüber hinaus.