Interpretation der Chemie exoplanetischer Atmosphären

Das Hauptziel der Exoplanetenforschung liegt in der Erweiterung des Verständnisses der Planetenphysik. Bis heute sind spektroskopische Beobachtungen bei Zentralsternbedeckungen von Exoplaneten die maßgebliche Methode für die Charakterisierung der atmosphärischen Temperatur und Zusammensetzung. Üblicherweise haben Wissenschaftler*innen die Chemie von heißen Exoplaneten unter Berücksichtigung eines thermochemischen Gleichgewichts modelliert. Um die Physik von warmen und gemäßigten Exoplaneten zu interpretieren, muss eine Quantifizierung der Effekte einer Nichtgleichgewichtschemie erfolgen. Dies ist aber ohne Ermittlung von mehreren Atmosphärenbestandteilen nicht möglich. Hochauflösende Infrarotbeobachtungen mittels des Spektrographen GIANO-B des Telescopio Nazionale Galileo führten zumweltweiterstenNachweis von CNO-enthaltenden Exoplaneten-Atmosphärenbestandteilen (H2O, CO, CO2, CH4, NH3, HCN, und C2H2), welche es erlaubten zu prüfen welche chemischen Prozesse die physikalischen Eigenschaften von Exoplaneten dominieren. Wir beabsichtigen Antworten auf folgende grundlegende Fragen der Planetenatmosphärenphysik zu finden: (1) Welche sind die wichtigen atmosphärischen Bestandteile von Exoplaneten? (2) Wann und inwieweit verschiedene chemische Prozesse die beobachtete Zusammensetzung verändern? (3) Was ist die elementare Zusammensetzung dieser Atmosphären (z.B.: Verhältnisse von C/H, N/H, C/O)? (4) Rückschluss wie diese Planeten entstanden sind und sich entwickelt haben, auf Grundlage ihrer derzeitigen (beobachteten) Zusammensetzung? Wir werden unser atmosphärisches Dateninterpretationsprogramm (auf Grundlage Bayes`scher Statistik) für hochauflösende Kreuzkorrelationsbeobachtungen weiterentwickeln. Wir werden atmosphärische Modelle für Gleichgewichts- und Nichtgleichgewichtschemie, sowohl für Voraussagen als auch für Auffindung aus Beobachtungen, entwickeln. Als ersten Schritt werden wir diese Modelle verwenden um den Einfluss der Nichtgleichgewichtschemie auf Exoplaneten und ihre Spektren zu untersuchen. Im nächsten Schritt werden wir diese Werkzeuge auf die einzigartigen GIANO-B Beobachtungen anwenden. Die Zusammenarbeit mit dem Astrophysikalischen Observatorium in Turin garantiert uns denZugang zu Untersuchungsproben von 16 bis 30 Exoplaneten. Die systematische Untersuchung dieser Beobachtungen wird die statistisch aussagekräftigen Randbedingungen der Zusammensetzung liefern und uns erlauben auszutesten welche chemischen Prozesse mit den Beobachtungen übereinstimmen. Wir vereinen modernste Forschungsmethoden zur (1) hochauflösenden Analyse, (2) ein statistisches Rahmenprogramm (Bayes`sche Statistik) und (3) chemische Modelle unter Gleichgewichts- und Nichtgleichgewichtsvorschriften miteinander, welches bisher in unserem Forschungsfeld nicht existiert. Die entwickelte Software wird der Forschergemeinschaft als open-source-Programmcode zur Verfügung gestellt. Wir werden diese Arbeitsverfahren auf die GIANO-B Beobachtungen anwenden und damit die besten verfügbaren Beobachtungsquellen mit innovativen Datenmodellen und theoretischen Modellen kombinieren, damit wir unser Verständnis von Nichtgleichgewichtschemie verbessern können.

The goal of this project is to better understand the chemical composition of gas-giant planets outside our solar system. In particular, to study the interaction between dynamical and chemical processes in their atmospheres. This project developed new modeling tools and applied them to a sample of real observations to uncover which physical and chemical processes are most important. In particular, we have developed a pipeline to interpret the combined data from space and ground-based telescopes. We analyzed ground-based observations made with the GIANO-B spectrograph for three planets: WASP-80b, WASP-69b, and HAT-P-11b. Our studies revealed the detection of several species in their atmospheres (such as water, carbon monoxide, ammonia, or methane), indicating that these planets either show chemical processes that take their composition out of chemical equilibrium, that their elemental building blocks differ substantially from the solar system expectations, or both. These observations also prompted new observations for WASP-69b with the James Webb Space Telescope (JWST), data which will be analyzed in the future. As part of our effort to understand how chemical processes shape the atmospheres of exoplanets, we developed Gen TSO, a new simulation tool to plan observations with JWST. Gen TSO allows researchers to estimate the statistical confidence of JWST to detect key atmospheric molecules on exoplanets, and thus, test the capability of JWST to distinguish the signature of different chemical and formation theories. The tool is accessible open-source, making it a practical asset for the community. The models developed in this project offer a new standard for interpreting exoplanet observations, laying the groundwork for more accurate characterizations of planetary atmospheres in the JWST era and beyond.