Webbov teleskop skúma chémiu v atmosfére horúceho plynového obra Ars Technica

Ešte pred niekoľkými desaťročiami bola väčšina planét, o ktorých sme vedeli, v našej vlastnej slnečnej sústave, a to formovalo spôsob, akým uvažujeme o vzniku planét a planetárnej chémii. Teraz, keď sme identifikovali väčšiu populáciu exoplanét, máme veľa príkladov vecí, ktoré sme nikdy predtým nevideli: množstvo mini Neptúnov, super Zemí a horúcich Jupiterov.

Zistiť, čo nám všetky tieto nové veci hovoria, je trochu zmiešané. Je pomerne jednoduché určiť hustotu planéty a koľko energie dostane od svojej hostiteľskej hviezdy. Ale daná hustota je zvyčajne v súlade s celým radom materiálov – pevná hornina môže napríklad pripomínať veľké kovové jadro a nafúknutú atmosféru. A teplota planéty bude do značnej miery závisieť od vecí, ako je zloženie jej atmosféry a koľko svetla sa odráža od jej povrchu.

Je teda ťažké zistiť, na čo sa pozeráme, keď sa pozeráme na údaje o exoplanéte. Úspešným uvedením Webbovho vesmírneho teleskopu do prevádzky sa však začíname posúvať o niečo ďalej. V stredajšom vydaní časopisu Nature vedci použili údaje z nových teleskopov na odhad chémie horúceho plynného obra a zistili, že sa dejú veci, ktoré by sme v našej vlastnej slnečnej sústave nevideli.

veľké a horúce

cieľom vyšetrovania je exoplanéta WASP-39b, ktorá je od Zeme vzdialená asi 700 svetelných rokov. Je to plynný gigant, ale jeho hmotnosť je menšia ako dve tretiny hmotnosti Jupitera. Napriek tomu je oveľa väčší ako Jupiter, ktorý má 1,7-krát väčší polomer. Veľkou mierou k tomu prispieva fakt, že planéta sa otepľuje. Jeho obežný polomer je menší ako 5 percent obežného okruhu Zeme a jeden obeh trvá o niečo viac ako štyri pozemské dni. Hviezda, okolo ktorej obieha, nie je ani slabý trpaslík; Má približne rovnakú veľkosť ako Slnko a ohrieva planétu na približne 900 °C.

Takže WASP-39b nie je ako žiadna z planét v našej slnečnej sústave. Vďaka tomu je skvelou možnosťou na objavovanie vecí, ktoré nevidíme blízko domova. Je tiež atraktívnym cieľom pre pozorovania, pretože jeho atmosféra je taká veľká. To znamená, že keď planéta prechádza medzi svojou hostiteľskou hviezdou a Zemou, viac svetla z hviezdy bude prechádzať cez atmosféru WASP-39b. Keď sa to stane, chemikálie v atmosfére absorbujú špecifické vlnové dĺžky, čím vytvárajú podpis, ktorý si môžeme prečítať, aby sme sa dozvedeli viac o zložení planéty.

Z týchto dôvodov bola WASP-39b jednou z prvých planét, na ktoré sa zameriaval Webbov teleskop. Získané údaje naznačujú, že atmosféra planéty pozostávala z oxidu uhličitého a oxidu siričitého.

Obe chemikálie sa objavujú v zemskej atmosfére, takže ich existencia nie je v tomto zmysle veľkým šokom. Ale zemská atmosféra je oxidačná atmosféra, takže oxidované chemikálie sú štandardné. Plynní obri sú naproti tomu bohaté na vodík, čo by malo prispieť k redukcii atmosféry. Mali by sme hľadať vodu, metán a sírovodík, nie oxid uhličitý a oxid siričitý.

Chémia na planéte

Aby sa zistilo, čo sa deje, veľký výskumný tím prispôsobil softvér, ktorý modeluje chemické reakcie, aby pracoval s podmienkami a východiskovými materiálmi, ktoré sa pravdepodobne vyskytovali v atmosfére WASP-39b. Podmienky boli vytvorené pomocou všeobecného modelu cirkulácie atmosféry planéty so zameraním na terminátory úsvitu a súmraku – miesta, kde sa stretáva deň a noc planéty.

Tieto modely ukázali, že existujú cesty, ktoré by mohli vytvárať oxid siričitý. Ale začínajú disociáciou vody UV svetlom z blízkej hviezdy. UV žiarenie rozdeľuje vodu na dve reaktívne chemikálie nazývané radikály (konkrétne H a OH radikály). Spočiatku vodíkové radikály odstraňujú vodík a zanechávajú síru. Potom reaguje s OH radikálmi a oxiduje ho.

Modely predpovedajú, že oxid siričitý bude bežnejší v terminátore ráno, ktorý je chladnejší, ako na večernej strane planéty. Tiež naznačujú, že by sme mali hľadať prekurzory, ako je síra a oxid siričitý, ale tie by nezanechali podpis na svetle hviezd prechádzajúcich atmosférou.

Jednou z najzaujímavejších vecí na tom je, že existuje veľa dôvodov, prečo by to v našej slnečnej sústave nefungovalo veľmi dobre. Po prvé, plynní obri sú v Slnečnej sústave dosť vzdialení a nedostávajú takmer žiadne UV žiarenie. Veľkým problémom však je, že tento proces je veľmi citlivý na pomer vodíka k ťažkým prvkom v planetárnej atmosfére (astronómami označovaný ako metalicita planéty). Dokonca ani pri päťnásobku kovovej hmotnosti nášho Slnka nevytvárate dostatok oxidu siričitého, ktorý dokážeme zistiť zo Zeme. Potrebujete asi 10-násobok solárnej metalicity, aby ste dobre zodpovedali údajom Webb.

Naproti tomu produkcia oxidu siričitého sa nezdá byť veľmi citlivá na teplotu. Zdá sa teda, že to, že je WASP-39b taký horúci, nehrá pri jeho výrobe žiadnu rolu. Ale na plynných obroch Slnečnej sústavy sú teploty také nízke, že aj keby sa vytvoril oxid siričitý, rýchlo by kondenzoval na aerosólové častice alebo by podliehal chemickým reakciám s amoniakom. Každý z nich by blokoval spektrálny podpis jeho prítomnosti, ktorý vidíme vo svetle, ktoré prešlo atmosférou WASP-39b.

mimo slnečnej sústavy

Takže zo všetkých týchto dôvodov sa zdá, že atmosféra WASP-39b je hostiteľom chemického prostredia, s ktorým by sme sa v našej vlastnej slnečnej sústave nemali stretnúť. Bude dôležité mať to na pamäti, keď si začneme predstavovať atmosféry ďalších planét. Väčšina atmosfér, ktoré vidíme, bude mať pravdepodobne kombináciu chemikálií, tlakov, teplôt a radiačnej expozície, ktoré sú odlišné, a preto môžu obsahovať chémiu, ktorú nepoznáme.

Príroda, 2023. DOI: 10.1038/S41586-023-05902-2 (o DOI).