Уэбб раскрыл дело о «раздутой» экзопланете WASP-107b

Концепция этого художника показывает, как могла бы выглядеть экзопланета WASP-107b, основываясь на недавних данных, собранных космическим телескопом Джеймса Уэбба НАСА, а также на предыдущих наблюдениях Хаббла и других космических и наземных телескопов. Автор: NASA, ESA, CSA, R. Crawford (STScI)

Почему теплая экзопланета газового гиганта WASP-107b такая раздутая? У двух независимых групп исследователей есть ответ.

Данные, собранные с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба НАСА, в сочетании с предыдущими наблюдениями космического телескопа Хаббл НАСА, показывают удивительно мало метана (CH₄) в атмосфере планеты, указывая на то, что внутренняя часть WASP-107b должна быть значительно горячее, а ядро - намного массивнее, чем предполагалось ранее.

Считается, что неожиданно высокая температура является результатом приливного нагрева, вызванного слегка некруглой орбитой планеты, и может объяснить, как WASP-107b может быть настолько раздута, не прибегая к экстремальным теориям о том, как она образовалась.

Результаты, ставшие возможными благодаря необычайной чувствительности Уэбба и сопутствующей способности измерять свет, проходящий через атмосферу экзопланет, могут объяснить раздутость десятков экзопланет с низкой плотностью, помогая разгадать давнюю загадку экзопланетной науки.

Проблема с WASP-107b

Экзопланета «теплый Нептун» WASP-107b, составляющая более трех четвертей объема Юпитера, но менее одной десятой массы, является одной из наименее плотных известных планет. Хотя раздутые планеты не редкость, большинство из них горячее и массивнее, и поэтому их легче объяснить.

«Основываясь на радиусе, массе, возрасте и предполагаемой внутренней температуре, мы подумали, что WASP-107b имеет очень маленькое каменное ядро, окруженное огромной массой водорода и гелия», — объяснил Луис Уэлбанкс из Университета штата Аризона (ASU), ведущий автор статьи, опубликованной сегодня в журнале Nature. «Но было трудно понять, как такое маленькое ядро могло поглотить так много газа, а затем не вырасти в планету массой с Юпитер».

Если бы вместо этого большая часть массы WASP-107b находилась в ядре, атмосфера должна была сжаться, поскольку планета остыла с момента ее формирования. Без источника тепла для повторного расширения газа планета была бы намного меньше. Хотя WASP-107b имеет орбитальное расстояние всего в 5 миллионов миль (одна седьмая расстояния между Меркурием и Солнцем), она не получает достаточно энергии от своей звезды, чтобы настолько раздуться.

«WASP-107b — такая интересная цель для Уэбба, потому что она значительно холоднее и больше похожа на Нептун по массе, чем многие другие планеты с низкой плотностью, горячие Юпитеры, которые мы изучали», — сказал Дэвид Синг из Университета Джонса. Университет Хопкинса (JHU), ведущий автор параллельного исследования, также опубликованного сегодня в журнале Nature.

«В результате мы сможем обнаруживать метан и другие молекулы, которые могут дать нам информацию о его химическом составе и внутренней динамике, которую мы не можем получить с более горячей планеты».

Множество ранее не обнаруживаемых молекул

Гигантский радиус WASP-107b, протяженная атмосфера и близкая орбита делают ее идеальной для просвечивающей спектроскопии - метода, используемого для идентификации различных газов в атмосфере экзопланеты на основе того, как они влияют на свет звезд.

Объединив наблюдения с помощью NIRCam (камеры ближнего инфракрасного диапазона), MIRI (прибора среднего инфракрасного диапазона) и WFC3 (широкоугольной камеры 3), команда Уэлбэнкса смогла получить широкий спектр света от 0,8 до 12,2 микрон, поглощаемого атмосферой WASP-107 b. Используя спектрограф Уэбба NIRSpec (ближний инфракрасный спектрограф), команда Синга построила независимый спектр, охватывающий 2,7-5,2 мкм.

Точность данных позволяет не просто обнаруживать, но и фактически измерять содержание множества молекул, включая водяной пар (H₂O), метан (CH₄), диоксид углерода (CO₂), окись углерода (CO), диоксид серы (SO₂) и аммиак (NH₃).

Бурлящий газ, горячая внутренняя часть и массивное ядро

Оба спектра показывают удивительное отсутствие метана в атмосфере WASP-107b: одна тысячная от ожидаемого количества, исходя из предполагаемой температуры.

«Это свидетельство того, что горячий газ из глубин планеты должен энергично смешиваться с более холодными слоями выше», — объяснил Синг. «Метан нестабилен при высоких температурах. Тот факт, что мы обнаружили так мало, хотя мы и обнаружили другие углеродсодержащие молекулы, говорит нам о том, что внутри планеты должно быть значительно горячее, чем мы думали».

Вероятным источником дополнительной внутренней энергии WASP-107b является приливное нагревание, вызванное его слегка эллиптической орбитой. Поскольку расстояние между звездой и планетой постоянно меняется на протяжении 5,7-дневной орбиты, гравитационное притяжение также меняется, растягивая планету и нагревая ее.

Ранее исследователи предполагали, что причиной раздутости WASP-107b может быть приливное нагревание, но до тех пор, пока не были получены результаты Уэбба, доказательств не было.

Как только они установили, что планета обладает достаточным внутренним теплом, чтобы основательно разогреть атмосферу, ученые поняли, что спектры также могут дать новый способ оценки размера ядра.

«Если мы знаем, сколько энергии содержится на планете, и мы знаем, какую долю планеты составляют более тяжелые элементы, такие как углерод, азот, кислород и сера, по сравнению с тем, сколько водорода и гелия, мы можем вычислить, какая масса должна быть в ядре», — объяснил Дэниел Торнгрен из JHU.

Оказывается, ядро как минимум в два раза массивнее, чем первоначально предполагалось, что имеет больше смысла с точки зрения формирования планет.

В целом, WASP-107 b не так загадочна, как казалось раньше.

«Данные Уэбба говорят нам, что такие планеты, как WASP-107b, не должны были формироваться каким-то странным образом со сверхмаленьким ядром и огромной газовой оболочкой», — объяснил Майк Лайн из ASU. «Вместо этого мы можем взять что-то похожее на Нептун, с большим количеством камня и меньшим количеством газа, просто поднять температуру и раздуть его».

Больше информации: Luis Welbanks et al, A high internal heat flux and large core in a warm neptune exoplanet, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07514-w
David K. Sing et al, A warm Neptune's methane reveals core mass and vigorous atmospheric mixing, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07395-z Больше информации: Luis Welbanks et al, A high internal heat flux and large core in a warm neptune exoplanet, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07514-w
David K. Sing et al, A warm Neptune's methane reveals core mass and vigorous atmospheric mixing, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07395-z

Источник: Space Telescope Science Institute