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Detectability of atmospheric features of Earth-like planets in the habitable zone around M dwarfs

Wunderlich, Fabian und Godolt, Mareike und Grenfell, John Lee und Städt, Steffen und Smith, Alexis M. S. und Gebauer, Stefanie und Schreier, Franz und Hedelt, Pascal und Rauer, Heike (2019) Detectability of atmospheric features of Earth-like planets in the habitable zone around M dwarfs. Astronomy & Astrophysics, 624, Seiten 1-17. EDP Sciences. doi: 10.1051/0004-6361/201834504. ISSN 0004-6361.

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Offizielle URL: http://dx.doi.org/10.1051/0004-6361/201834504

Kurzfassung

Context. The characterisation of the atmosphere of exoplanets is one of the main goals of exoplanet science in the coming decades. Aims. We investigate the detectability of atmospheric spectral features of Earth-like planets in the habitable zone (HZ) around M dwarfs with the future James Webb Space Telescope (JWST). Methods. We used a coupled 1D climate-chemistry-model to simulate the influence of a range of observed and modelled M-dwarf spectra on Earth-like planets. The simulated atmospheres served as input for the calculation of the transmission spectra of the hypothetical planets, using a line-by-line spectral radiative transfer model. To investigate the spectroscopic detectability of absorption bands with JWST we further developed a signal-to-noise ratio (S/N) model and applied it to our transmission spectra. Results. High abundances of methane (CH4) and water (H2O) in the atmosphere of Earth-like planets around mid to late M dwarfs increase the detectability of the corresponding spectral features compared to early M-dwarf planets. Increased temperatures in the middle atmosphere of mid- to late-type M-dwarf planets expand the atmosphere and further increase the detectability of absorption bands. To detect CH4, H2O, and carbon dioxide (CO2) in the atmosphere of an Earth-like planet around a mid to late M dwarf observing only one transit with JWST could be enough up to a distance of 4 pc and less than ten transits up to a distance of 10 pc. As a consequence of saturation limits of JWST and less pronounced absorption bands, the detection of spectral features of hypothetical Earth-like planets around most early M dwarfs would require more than ten transits. We identify 276 existing M dwarfs (including GJ 1132, TRAPPIST-1, GJ 1214, and LHS 1140) around which atmospheric absorption features of hypothetical Earth-like planets could be detected by co-adding just a few transits. Conclusions. The TESS satellite will likely find new transiting terrestrial planets within 15 pc from the Earth. We show that using transmission spectroscopy, JWST could provide enough precision to be able to partly characterise the atmosphere of TESS findings with an Earth-like composition around mid to late M dwarfs.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/127614/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Detectability of atmospheric features of Earth-like planets in the habitable zone around M dwarfs
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Wunderlich, Fabianfabian.wunderlich (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Godolt, Mareikemareike.godolt (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Grenfell, John Leelee.grenfell (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Städt, SteffenSteffen.Staedt (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Smith, Alexis M. S.alexis.smith (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Gebauer, StefanieStefanie.Gebauer (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Schreier, FranzFranz.Schreier (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0001-7196-6599NICHT SPEZIFIZIERT
Hedelt, PascalPascal.Hedelt (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-1752-0040NICHT SPEZIFIZIERT
Rauer, HeikeHeiker.Rauer (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:April 2019
Erschienen in:Astronomy & Astrophysics
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:624
DOI:10.1051/0004-6361/201834504
Seitenbereich:Seiten 1-17
Verlag:EDP Sciences
ISSN:0004-6361
Status:veröffentlicht
Stichwörter:planets and satellites: terrestrial planets, techniques: spectroscopic, stars: low-mass
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HGF - Programm:Raumfahrt
HGF - Programmthema:Erforschung des Weltraums
DLR - Schwerpunkt:Raumfahrt
DLR - Forschungsgebiet:R EW - Erforschung des Weltraums
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):R - Vorhaben Planetary Evolution and Life (alt)
Standort: Berlin-Adlershof , Oberpfaffenhofen
Institute & Einrichtungen:Institut für Planetenforschung > Extrasolare Planeten und Atmosphären
Institut für Methodik der Fernerkundung > Atmosphärenprozessoren
Hinterlegt von: Grenfell, John Lee
Hinterlegt am:14 Jun 2019 09:03
Letzte Änderung:31 Jul 2019 20:25

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