Webbov vesmírny teleskop rozlúskol prípad nafúknutej exoplanéty „mikrovlnnej marshmallow“.

Prekvapivý nedostatok metánu naznačuje, že prílivové ohrievanie nafúklo atmosféru horúceho plynového obra WASP-107 b.

Prečo existuje horúci plynový démon? exoplanéta WASP-107B Takže, taký nafúknutý? Zdá sa, že s miernymi teplotami a ultra nízkou hustotou ekvivalentnou mikrovlnnému marshmallow sa táto planéta vzpiera štandardným teóriám formovania a evolúcie.

Dva nezávislé tímy výskumníkov veria, že na to prišli. Webbove údaje v kombinácii s predchádzajúcimi pozorovaniami z Hubbleovho teleskopu naznačujú, že vnútro WASP-107 b by malo byť oveľa teplejšie, než sa pôvodne predpokladalo. Neočakávane vysoká teplota, o ktorej sa predpokladá, že je spôsobená prílivovými silami, ktoré napínajú planétu ako hlúpy tmel, by mohla vysvetliť, ako môžu byť planéty ako WASP-107b také uvoľnené, čo môže potenciálne dlhotrvajúci záujem o vedu o exoplanetách vyriešiť prebiehajúce tajomstvo.

Koncept tohto umelca ukazuje, ako by mohla vyzerať exoplanéta WASP-107 b, na základe nedávnych údajov zhromaždených vesmírnym teleskopom Jamesa Webba NASA, ako aj predchádzajúcich pozorovaní z Hubbleovho teleskopu a iných vesmírnych a pozemných teleskopov. WASP-107 b je exoplanéta „horúceho Neptúna“ obiehajúca okolo relatívne malej a chladnej hviezdy v súhvezdí Panny, asi 210 svetelných rokov od Zeme. Planéta má objemovo asi 80 % veľkosti Jupitera, no má menej ako 10 % hmotnosti Jupitera, čo z nej robí jednu zo známych exoplanét s najnižšou hustotou. Poďakovanie: NASA, ESA, CSA, Ralph Crawford (STScI)

Webbov vesmírny teleskop odhalil prípad nafúknutých exoplanét

Prečo je horúca plynová obrovská exoplanéta WASP-107b taká nafúknutá? Dva nezávislé výskumné tímy teraz majú odpoveď.

Údaje zozbierané pomocou vesmírneho teleskopu Jamesa Webba agentúry NASA v kombinácii s predchádzajúcimi pozorovaniami z Hubbleovho vesmírneho teleskopu agentúry NASA ukazujú prekvapivo málo metánu (CH)₄) v atmosfére planéty. To naznačuje, že WASP-107 b musí mať veľmi horúce vnútro a oveľa masívnejšie jadro, než sa doteraz predpokladalo.

Predpokladá sa, že neočakávane vysoká teplota je výsledkom slapového ohrevu spôsobeného mierne nekruhovou obežnou dráhou planéty a môže vysvetliť, ako sa WASP-107 b tak nafúkol bez toho, aby sa uchýlil k extrémnym teóriám o jeho vzniku.

Výsledky, ktoré umožnila Webbova mimoriadna citlivosť a schopnosť merať svetlo prechádzajúce atmosférami exoplanét, by mohli vysvetliť napučiavanie desiatok exoplanét s nízkou hustotou, čím by sa podarilo vyriešiť dlhotrvajúcu záhadu v oblasti vedy o exoplanetách.

Problém s WASP-107 b

viac ako tri štvrtiny Jupiter Ale necelá desatina hmoty, „horúca“. NeptúnExoplanéta WASP-107b je jednou z planét s najnižšou hustotou, aké poznáme. Hoci opuchnuté planéty nie sú nezvyčajné, väčšina z nich je teplejšia a masívnejšia, a preto sa ľahšie vysvetľuje.

Lewis Wellbanks z Arizona State University (ASU) vysvetľuje: „Na základe svojho polomeru, hmotnosti, veku a odhadovanej vnútornej teploty sme si mysleli, že WASP-107b má veľmi malé, skalnaté jadro tvorené obrovskými masami vodíka a hélia. .“ Vedúci autor článku uverejneného 20. mája v časopise Príroda, „Bolo však ťažké pochopiť, ako také malé jadro mohlo nasať toľko plynu a potom zabrániť tomu, aby sa úplne vyvinulo na planétu s hmotnosťou Jupitera.“

Toto transmisné spektrum, zachytené pomocou vesmírnych teleskopov NASA Hubble a James Webb, ukazuje množstvo rôznych vlnových dĺžok (farby) svetla hviezd blokovaných atmosférou plynovej obrovskej exoplanéty WASP-107 b.
Spektrum zahŕňa svetlo zozbierané z piatich samostatných pozorovaní s použitím celkovo troch rôznych prístrojov: Hubbleov WFC3 (0,8–1,6 μm), Webbov NIRCam (2,4–4,0 μm a 3,9–5,0 μm) a Webbov MIRI (5–12 μm). Každá sada meraní bola vykonaná pozorovaním systému planéta-hviezda približne 10 hodín pred, počas a po tranzite, keď sa planéta pohybovala cez tvár hviezdy.
Porovnaním jasu svetla filtrovaného cez atmosféru planéty (prepustené svetlo) s nefiltrovaným svetlom hviezd je možné vypočítať množstvo každej vlnovej dĺžky blokovanej atmosférou. Pretože každá molekula absorbuje jedinečnú kombináciu vlnových dĺžok, prenosové spektrum možno použiť na obmedzenie množstva rôznych plynov.
Toto spektrum ukazuje jasný dôkaz vody (H2O), oxidu uhličitého (CO2), oxidu uhoľnatého (CO), metánu (CH4), oxidu siričitého (SO2) a amoniaku (NH3) v atmosfére planéty, čo výskumníkom poskytuje informácie o interiéri. Umožňuje špekulácie. Teplota a hmotnosť jadra.
Toto pokrytie vlnových dĺžok od optickej po strednú infračervenú oblasť je doteraz najširšie zo všetkých prenosových spektier exoplanét a zahŕňa prvú hlásenú detekciu amoniaku vesmírnym ďalekohľadom v atmosfére exoplanét.
Poďakovanie: NASA, ESA, CSA, Ralph Crawford (STScI), Lewis Wellbanks (ASU), JWST Manatee Team

Ak má WASP-107 b namiesto toho viac hmoty v jadre, potom by sa atmosféra mala zmenšiť, keď sa planéta časom od svojho vzniku ochladila. Bez zdroja tepla na opätovnú expanziu plynu musí byť planéta veľmi malá. Aj keď je orbitálna vzdialenosť WASP-107 b iba 5 miliónov míľ (jedna sedmina vzdialenosti medzi Merkúrom a Slnkom), nedostáva od svojej hviezdy dostatok energie, aby spôsobila také veľké nafúknutie.

„WASP-107b je pre Webba zaujímavým cieľom, pretože je oveľa chladnejší ako mnohé iné planéty s nízkou hustotou, ktoré študujeme, vrátane horúcich Jupiterov a hmotnosti podobnej Neptúnu,“ povedal David Sing z Johnsa. Hopkins University (JHU), hlavný autor paralelné štúdium Dnes zverejnené aj v Príroda, „V dôsledku toho by sme mali byť schopní odhaliť metán a ďalšie molekuly, ktoré nám môžu poskytnúť informácie o jeho chémii a vnútornej dynamike, ktoré nemôžeme získať z teplejšej planéty.“

Poklad predtým nepoznaných molekúl.

Obrovský polomer, rozšírená atmosféra a obežná dráha WASP-107 b ju robia ideálnou pre transmisnú spektroskopiu, metódu používanú na identifikáciu rôznych plynov v atmosfére exoplanét na základe toho, či sa objavujú v blízkosti hviezd. Ako ovplyvňujú svetlo?

Kombináciou pozorovaní z Webbovej NIRCam (blízka infračervená kamera), Webbovho MIRI (stredne infračerveného prístroja) a Hubbleovho WFC3 (Wide Field Camera 3) Wellbanksov tím získal široké spektrum absorbovaného svetla s veľkosťou 0,8 až 12,2 mikrónu. tvorby. Atmosférou WASP-107 b. Pomocou Webbovho NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) Singov tím vytvoril nezávislé spektrum pokrývajúce 2,7 až 5,2 mikrónov.

Presnosť údajov umožňuje nielen detekovať, ale skutočne merať množstvo molekúl vrátane vodnej pary (H).₂O), metán (CH₄), oxid uhličitý (CO₂), oxid uhoľnatý (CO), oxid siričitý (SO₂) a amoniak (NH₃,

Toto transmisné spektrum, zachytené pomocou Webbovho NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph), ukazuje množstvo rôznych vlnových dĺžok (farieb) blízkeho infračerveného svetla hviezd blokovaných atmosférou plynovej obrovskej exoplanéty WASP-107 b.
Spektrum bolo vytvorené pozorovaním systému planéta-hviezda približne 8,5 hodiny pred, počas a po prechode, keď planéta prechádzala cez tvár hviezdy.
Porovnaním jasu svetla filtrovaného cez atmosféru planéty (prepustené svetlo) s nefiltrovaným svetlom hviezd je možné vypočítať množstvo každej vlnovej dĺžky blokovanej atmosférou. Pretože každá molekula absorbuje jedinečnú kombináciu vlnových dĺžok, prenosové spektrum možno použiť na obmedzenie množstva rôznych plynov.
Toto spektrum ukazuje jasný dôkaz vody (H2O), oxidu uhličitého (CO2), oxidu uhoľnatého (CO), metánu (CH4) a oxidu siričitého (SO2) v atmosfére planéty, čo umožňuje výskumníkom odhadnúť vnútornú teplotu a hmotnosť povolený. Hlavná.
Poďakovanie: NASA, ESA, CSA, Ralph Crawford (STScI), David Sing (JHU), NIRSpec GTO Transiting Exoplanet Team

Horúci plyn, horúci interiér a obrovské jadro

Obe spektrá ukazujú prekvapivý nedostatok metánu v atmosfére WASP-107 b: jedna tisícina očakávaného množstva na základe jeho odhadovanej teploty.

„Toto je dôkaz, že horúci plyn z hlbín planéty sa môže rýchlo miešať s chladnejšími vrstvami nad nimi,“ povedal Sing. „Metán je pri vysokých teplotách nestabilný. Skutočnosť, že sme zistili tak málo, aj keď sme zistili iné molekuly s uhlíkom, nám hovorí, že vnútro planéty musí byť oveľa teplejšie, ako sme si mysleli.

Možným zdrojom dodatočnej vnútornej energie WASP-107 b je slapové zahrievanie spôsobené jeho mierne eliptickou obežnou dráhou. Vzdialenosť medzi hviezdou a planétou sa pozdĺž jej 5,7-dňovej obežnej dráhy neustále mení a mení sa aj gravitačná sila, čo spôsobuje, že sa planéta naťahuje a zahrieva.

Výskumníci predtým navrhli, že prílivové zahrievanie môže spôsobiť opuch WASP-107 b, ale až do Webbových výsledkov neexistovali žiadne dôkazy.

Keď tímy zistili, že planéta má dostatok vnútorného tepla na úplné vyvrhnutie atmosféry, uvedomili si, že spektrá môžu poskytnúť aj nový spôsob odhadu veľkosti jadra.

„Ak vieme, koľko energie má planéta a vieme, aký podiel na planéte tvoria ťažké prvky ako uhlík, dusík, kyslík a síra, v porovnaní s tým, koľko je vodík a hélium, potom môžeme vypočítať, koľko energie má planéta. „Koľko hmoty by malo mať jadro,“ vysvetlil Daniel Thorngren z JHU.

Ukazuje sa, že jadro je najmenej dvakrát väčšie, ako sa pôvodne odhadovalo, čo dáva väčší zmysel v kontexte toho, ako sa tvoria planéty.

Celkovo WASP-107 b nie je taký záhadný, ako sa kedysi zdalo.

„Webové údaje nám hovoria, že planéty ako WASP-107b nevznikli nejakým zvláštnym spôsobom so super malým jadrom a obrovským plynným obalom,“ povedal Mike Line z ASU. „Namiesto toho by sme mohli vziať niečo viac ako Neptún, ktorý má oveľa viac kameňov a nie toľko plynu, stačí zvýšiť teplotu a urobiť to tak, ako to vyzerá.“

Odkaz: Lewis Wellbanks, Taylor J. Bell, Thomas G. Beatty, Michael R. Line, Kazumasa Ohno, Jonathan J. Fortney, Everett Shlavin, Thomas P. „Vysoký vnútorný tepelný tok a veľké jadro v horúcej exoplanéte Neptúna“. Green, Emily Rauscher, Peter McGill, Matthew Murphy, Vivian Parmentier, Yao Tang, Isaac Edelman, Sagnik Mukherjee, Lindsay S. Weiser, Pierre-Olivier Lagage, Akrane Dirac a Kenneth E. Arnold, 20. mája 2024, Príroda,
DOI: 10.1038/s41586-024-07514-w

Vesmírny teleskop Jamesa Webba Je to popredné svetové observatórium vesmírnej vedy. Webb rieši záhady v našej slnečnej sústave, pozerá sa ďalej na vzdialené svety okolo iných hviezd a skúma záhadné štruktúry a pôvod nášho vesmíru a naše miesto v ňom. WEB je medzinárodný program pod vedením NASA So svojimi partnermi ESA (Európska vesmírna agentúra) a CSA (Kanadská vesmírna agentúra).