Kosmiczny Teleskop Webba ujawnia przypadek puszystej egzoplanety „Marshmallow Microwave”.

Nagły brak metanu sugeruje, że ogrzewanie pływowe rozdęło atmosferę ciepłego gazowego giganta WASP-107 b.

Dlaczego ciepły gaz uważany jest za giganta? Egzoplaneta WASP-107b jest zbyt spuchnięty? Przy umiarkowanej temperaturze i wyjątkowo niskiej gęstości, porównywalnej z pianką marshmallow podgrzaną w kuchence mikrofalowej, wydaje się ona przeczyć standardowym teoriom powstawania i ewolucji planet.

Dwa niezależne zespoły badaczy uważają, że już to rozpracowały. Dane Webba w połączeniu z wcześniejszymi obserwacjami z Hubble’a pokazują, że we wnętrzu WASP-107 b powinno być znacznie cieplej niż wcześniej szacowano. Nieoczekiwanie wysokie temperatury, uważane za spowodowane siłami pływowymi rozciągającymi planetę jak głupią masę, mogą wyjaśnić, dlaczego planety takie jak WASP-107 b mogą utrzymywać się na powierzchni, a być może rozwiązać od dawna zagadkę nauki o egzoplanetach.

Koncepcja artysty pokazuje, jak mogłaby wyglądać egzoplaneta WASP-107 b, na podstawie najnowszych danych zebranych przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba NASA, a także wcześniejszych obserwacji z Hubble’a oraz innych teleskopów kosmicznych i naziemnych. WASP-107 b to egzoplaneta „ciepłego Neptuna” krążąca wokół małej, stosunkowo chłodnej gwiazdy, około 210 lat świetlnych od Ziemi, w gwiazdozbiorze Panny. Planeta ma około 80% objętości Jowisza, ale jej masa jest mniejsza niż 10% masy Jowisza, co czyni ją jedną z najmniej masywnych znanych egzoplanet. Źródło zdjęcia: NASA, ESA, Kanadyjska Agencja Kosmiczna, Ralph Crawford (STScI)

Kosmiczny Teleskop Webba ujawnia przypadek rozdętej egzoplanety

Dlaczego egzoplaneta WASP-107 b z ciepłym gazem jest tak rozdęta? Dwa niezależne zespoły badawcze mają teraz odpowiedź.

Dane zebrane za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba, a także wcześniejsze obserwacje za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble’a, pokazują śladowe ilości metanu (CH).₄) w atmosferze planety. Sugeruje to, że wnętrze WASP-107 b musi być znacznie gorętsze, a rdzeń znacznie większy niż wcześniej szacowano.

Uważa się, że nieoczekiwanie wysoka temperatura jest wynikiem ogrzewania pływowego spowodowanego nieco nieregularną orbitą planety i może wyjaśniać, w jaki sposób WASP-107 b mogła się rozdęć bez uciekania się do skrajnych teorii na temat jej powstania.

Odkrycia, możliwe dzięki wyjątkowej czułości Webba i towarzyszącej jej zdolności do pomiaru światła przechodzącego przez atmosfery egzoplanetarne, mogą wyjaśnić wzdęcie dziesiątek egzoplanet o małej gęstości, pomagając w rozwiązaniu długotrwałej tajemnicy nauki o egzoplanetach.

Problem z WASP-107b

Ponad trzy czwarte wielkości Jowisz Ale mniej niż jedna dziesiąta masy jest „ciepła”. NeptunEgzoplaneta WASP-107 b jest jedną z najmniej gęstych znanych planet. Chociaż planety z wybrzuszeniem nie są rzadkością, większość z nich jest gorętsza i bardziej masywna, a zatem łatwiejsza do wyjaśnienia.

„Na podstawie promienia, masy, wieku i przyjętej temperatury wewnętrznej sądziliśmy, że WASP-107 b ma bardzo małe skaliste jądro otoczone ogromną masą wodoru i helu” – wyjaśnia Louis Wilbanks z Arizona State University (ASU). Główny autor artykułu opublikowanego 20 maja w czasopiśmie Natura. „Trudno jednak zrozumieć, jak tak małe jądro mogło pochłonąć tak dużo gazu, a następnie całkowicie przestać rosnąć w planetę o masie Jowisza”.

To widmo transmisyjne, wykonane za pomocą kosmicznych teleskopów Hubble’a i Jamesa Webba, pokazuje ilość różnych długości fal (kolorów) światła gwiazd blokowanego przez atmosferę gazowego olbrzyma egzoplanety WASP-107 b.
Widmo obejmuje światło zebrane podczas pięciu oddzielnych obserwacji przy użyciu łącznie trzech różnych instrumentów: WFC3 Hubble’a (0,8–1,6 mikrona), NIRCam Webba (2,4–4,0 mikrona i 3,9–5,0 mikrona) oraz MIRI Webba (5–12 mikronów). Każdy zestaw pomiarów wykonano poprzez obserwację układu planeta-gwiazda przez około 10 godzin przed, w trakcie i po tranzycie, gdy planeta przemieszczała się po tarczy gwiazdy.
Porównując jasność światła przefiltrowanego przez atmosferę planety (światło przechodzące) z niefiltrowanym światłem gwiazd, można obliczyć, jaka część każdej długości fali jest blokowana przez atmosferę. Ponieważ każda cząsteczka pochłania unikalną kombinację długości fal, widmo transmisji można wykorzystać do ograniczenia liczebności różnych gazów.
Widmo to wyraźnie wskazuje na obecność wody (H2O), dwutlenku węgla (CO2), tlenku węgla (CO), metanu (CH4), dwutlenku siarki (SO2) i amoniaku (NH3) w ​​atmosferze planety, umożliwiając badaczom oszacowanie atmosferę wewnętrzną planety. Temperatura i masa jądra.
Zakres długości fali od światła optycznego do średniej podczerwieni jest najszerszym spośród dotychczasowych widm transmisji egzoplanet i obejmuje pierwszą detekcję amoniaku w atmosferze egzoplanety za pomocą teleskopu kosmicznego.
Zdjęcia: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI), Luis Welbanks (ASU), zespół JWST MANATEE

Gdyby WASP-107 b miała większą masę niż jądro, atmosfera powinna się skurczyć w miarę ochładzania się planety od czasu jej powstania. Bez źródła ciepła umożliwiającego ponowne rozprężenie gazu planeta musiałaby być znacznie mniejsza. Chociaż odległość orbity WASP-107 b wynosi zaledwie 5 milionów mil (jedna siódma odległości między Merkurym a Słońcem), nie otrzymuje od swojej gwiazdy wystarczającej ilości energii, aby spowodować tak duże nadmuchanie.

„WASP-107 b jest interesującym celem dla Webba, ponieważ jest znacznie chłodniejsza i ma masę bardziej podobną do Neptuna niż wiele innych planet o małej gęstości, takich jak gorące Jowisze, które badaliśmy” – powiedział David Singh z Uniwersytet Jonesa. Hopkins University (JHU), główny autor książki A Studia równoległe Opublikowano także dzisiaj w Natura. „W rezultacie powinniśmy być w stanie wykryć metan i inne cząsteczki, które mogą dostarczyć nam informacji na temat jego składu chemicznego i dynamiki wewnętrznej, których nie możemy uzyskać z gorętszej planety”.

Bogactwo niewykrywalnych wcześniej cząsteczek

Ogromny promień WASP-107 b, rozszerzona atmosfera i orbita skierowana krawędzią sprawiają, że idealnie nadaje się do spektroskopii transmisyjnej, metody stosowanej do identyfikacji różnych gazów w atmosferach egzoplanet na podstawie ich wpływu na światło gwiazd.

Łącząc obserwacje z kamery NIRCam (kamery bliskiej podczerwieni) Webba, MIRI (instrumentu średniej podczerwieni) Webba i WFC3 (kamery szerokokątnej 3) Hubble’a, zespół Webbanksa był w stanie skonstruować szeroki zakres pochłoniętego światła od 0,8 do 12,2 mikronów . Przez atmosferę WASP-107 b. Korzystając ze spektrometru bliskiej podczerwieni Webba NIRSpec, zespół Singa zbudował niezależne widmo obejmujące zakres od 2,7 do 5,2 mikrona.

Dokładność danych umożliwia nie tylko wykrycie, ale także zmierzenie liczebności wielu cząsteczek, w tym pary wodnej ( H₂O) i metan (CH₄), dwutlenek węgla (CO₂), tlenek węgla (CO), dwutlenek siarki (SO₂) i amoniak (NH₃).

To widmo transmisyjne, wykonane za pomocą spektrografu bliskiej podczerwieni Webba, pokazuje ilość różnych długości fal (kolorów) światła gwiazd w bliskiej podczerwieni blokowanego przez atmosferę gazowego olbrzyma egzoplanety WASP-107 b.
Widmo utworzono na podstawie obserwacji układu planeta-gwiazda przez około 8,5 godziny przed, w trakcie i po tranzycie, gdy planeta przemieszczała się po tarczy gwiazdy.
Porównując jasność światła przefiltrowanego przez atmosferę planety (światło przechodzące) z niefiltrowanym światłem gwiazd, można obliczyć, jaka część każdej długości fali jest blokowana przez atmosferę. Ponieważ każda cząsteczka pochłania unikalną kombinację długości fal, widmo transmisji można wykorzystać do ograniczenia liczebności różnych gazów.
Widmo to wyraźnie wskazuje na obecność wody (H2O), dwutlenku węgla (CO2), tlenku węgla (CO), metanu (CH4) i dwutlenku siarki (SO2) w atmosferze planety, umożliwiając naukowcom oszacowanie temperatury wewnętrznej i masa planety. istota.
Zdjęcia: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI), David Sing (JHU), NIRSpec GTO Transiting Exoplanet Team

Wrzący gaz, gorące wnętrze, masywny rdzeń

Obydwa widma pokazują zaskakujący brak metanu w atmosferze planety WASP-107 b: jedną tysięczną ilości oczekiwanej na podstawie zakładanej temperatury.

„To dowód na to, że gorący gaz pochodzący z głębi planety musi silnie mieszać się z chłodniejszymi warstwami powyżej” – wyjaśnił Singh. „Metan jest niestabilny w wysokich temperaturach Fakt, że wykryliśmy tak niewiele, mimo że wykryliśmy inne cząsteczki zawierające węgiel, mówi nam, że wnętrze planety musi być znacznie gorętsze, niż nam się wydawało”.

Prawdopodobnym źródłem dodatkowej energii wewnętrznej WASP-107 b jest ogrzewanie pływowe generowane przez jej lekko eliptyczną orbitę. Ponieważ odległość między gwiazdą a planetą zmienia się w sposób ciągły w ciągu 5,7 dnia, zmienia się również siła grawitacji, powodując rozszerzanie się i nagrzewanie planety.

Naukowcy wcześniej sugerowali, że ogrzewanie pływowe może być przyczyną pęcznienia WASP-107 b, ale do czasu wyników Webba nie było na to żadnych dowodów.

Po potwierdzeniu, że planeta ma wystarczającą ilość ciepła wewnętrznego, aby w pełni ożywić atmosferę, zespół zdał sobie sprawę, że widma mogą również zapewnić nowy sposób oszacowania rozmiaru jądra.

„Jeśli wiemy, ile energii znajduje się na planecie i wiemy, jaki jest stosunek cięższych pierwiastków, takich jak węgiel, azot, tlen i siarka, do ilości wodoru i helu, możemy obliczyć, jaką masę ma planeta. powinien był.” – wyjaśnił Daniel Thorngren z JHU.

Okazuje się, że masa jądra jest co najmniej dwukrotnie większa od pierwotnie szacowanej, co ma większy sens z punktu widzenia sposobu powstawania planet.

Ogólnie rzecz biorąc, WASP-107 b nie jest tak tajemniczy, jak się wcześniej wydawało.

„Dane Webba mówią nam, że planety takie jak WASP-107 b nie musiały powstawać w dziwny sposób, z bardzo małym jądrem i masywną otoczką gazową” – wyjaśnia Mike Lane z Arizona State University. „Zamiast tego moglibyśmy wziąć coś, co wygląda jak Neptun, z dużą ilością skał i niewielką ilością gazu, po prostu podnieść temperaturę i przesuwać to tak, aby wyglądało tak samo”.

Odniesienie: „Wysoki wewnętrzny strumień ciepła i duży rdzeń w ciepłej egzoplanecie Neptun” autorstwa Lewisa Wilbanksa, Taylora J. Bella, Thomasa J. Beatty’ego, Michaela R. Lane’a, Kazumasy Ono, Jonathana J. Fortneya, Everetta Schleweina, Thomasa P. Green, Emily Rauscher, Peter McGill, Matthew Murphy, Vivien Parmentier, Yao Tang, Isaac Edelman, Sajnik Mukherjee, Lindsay S. Weiser, Pierre-Olivier Lagage, Akren Derek i Kenneth E. Arnold, 20 maja 2024 r., Natura.
doi: 10.1038/s41586-024-07514-s

the Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba Jest to pierwsze na świecie obserwatorium nauk kosmicznych. Webb rozwiązuje tajemnice naszego Układu Słonecznego, spogląda poza odległe światy wokół innych gwiazd i bada tajemnicze struktury i pochodzenie naszego wszechświata oraz nasze w nim miejsce. WEB to program prowadzony na szczeblu międzynarodowym NASA Wraz ze swoimi partnerami Europejska Agencja Kosmiczna (ESA)Europejska Agencja Kosmiczna) i CSA (Kanadyjska Agencja Kosmiczna).