Телескоп Джеймс Уэбб открывает первое представление о внутренностях экзопланеты WASP-107 b
Эта планета называется WASP-107 b, она вращается вокруг своей звезды на расстоянии чуть более 8 млн км менее чем за 6 дней, находится на расстоянии около 200 световых лет от Земли и является очень необычной экзопланетой: как прошлые наблюдения с наземных и космических телескопов, таких как "Хаббл", так и недавние данные с "Джеймса Уэбба" показали, что WASP-107 b - это "раздутая" планета.
Имея объем более трех четвертей от объема Юпитера, но массу менее десятой части, этот мир классифицируется как горячий Нептун, но является одной из наименее плотных планет, о которых мы знаем. Основываясь на его радиусе, массе и возрасте, ученые предположили, что WASP-107 b имеет очень маленькое каменное ядро, окруженное огромной массой водорода и гелия. Но как такое маленькое ядро может собрать столько газа, а потом остановиться и не достичь объема, равного объему Юпитера?
Последние данные, полученные приборами "Уэбба", в сочетании с предыдущими измерениями дали ответ: в атмосфере WASP-107 b (на удивление) мало метана. Эта особенность в сочетании с другими химическими показателями в ее атмосфере указывает на то, что внутреннее пространство планеты должно быть значительно горячее, а ядро — гораздо массивнее, чем предполагалось ранее.
Трансмиссионная спектроскопия
WASP-107 b - идеальная цель для "Джеймса Уэбба". Ее радиус, обширная атмосфера и орбитальные характеристики делают ее идеальной для трансмиссионной спектроскопии — метода, используемого для идентификации различных газов в атмосфере экзопланеты на основе того, как они влияют на свет звезды. Таким образом, можно получить прямую информацию о химическом составе планеты.
Объединив наблюдения NIRCam (Near InfraRed Camera) и MIRI (Mid InfraRed Instrument) с WFC3 (Wide Field Camera 3) Хаббла, команда исследователей смогла построить широкий спектр света от 0,8 до 12,2 микрон, поглощаемого атмосферой WASP-107 b. Однако с помощью спектрографа NIRSpec (Near InfraRed Spectrograph) ученые построили независимый спектр, охватывающий от 2,7 до 5,2 микрона.
Сравнивая яркость света, отфильтрованного через атмосферу планеты (проходящий свет), с нефильтрованным звездным светом, можно рассчитать количество волн каждой длины, которые блокируются атмосферой. Поскольку каждая молекула поглощает уникальную комбинацию длин волн, спектр пропускания можно использовать для оценки обилия различных газов.
Таким образом, точность данных позволила не только обнаружить, но и фактически измерить количество многочисленных молекул в атмосфере WASP-107 b, включая водяной пар, метан, углекислый газ, угарный газ, двуокись серы и аммиак. Оба спектра показывают удивительное отсутствие метана в атмосфере этого мира: одна тысячная от ожидаемого количества, исходя из предполагаемой температуры.
Теплое сердце
Спектроскопический анализ WASP-107 b позволил ученым наложить ограничение как на силу вертикального смешивания, то есть на то, насколько горячий газ из глубин планеты смешивается с холодными слоями выше, так и на внутреннюю температуру, которая превышает 345 Кельвинов. Это гораздо более высокая температура, чем считали ученые ранее.
Вероятным источником дополнительной внутренней энергии для WASP-107 b, которая действительно находится очень близко к своей звезде, но не настолько близко, чтобы ее близость оправдывала ее температуру, является приливное нагревание, вызванное ее слегка эллиптической орбитой. Расстояние между звездой и планетой постоянно меняется в течение 5,7-дневной орбиты, поэтому гравитационное притяжение также меняется, "притягивая" планету и нагревая ее.
Ранее исследователи предполагали, что причиной разбухания WASP-107 b может быть приливной нагрев, но до получения результатов "Уэбба" не было никаких доказательств, подтверждающих это.
И массивное ядро
После того как было установлено, что планета обладает достаточным внутренним теплом, чтобы вызвать сильное перемешивание газов в атмосфере, по спектрам исследователи также нашли новый способ оценить размер ядра. Даниэль Торнгрен из Университета Джонса Хопкинса (JHU) объяснил:
Если мы знаем, сколько энергии содержится в планете, и знаем, какую часть планеты составляют более тяжелые элементы, такие как углерод, азот, кислород и сера, а какую — водород и гелий, мы можем рассчитать, сколько массы должно быть в ядре.
Таким образом, они обнаружили, что ядро как минимум вдвое массивнее, чем предполагалось ранее. Результат, который на самом деле гораздо более оправдан, чем предыдущие предположения. Фактически, это говорит о том, что планеты, подобные WASP-107 b, не формируются каким-то странным образом из крошечного ядра, которое притягивает к себе огромную газообразную оболочку.
Напротив, это образование больше похоже на формирование Нептуна: твердое ядро достаточно велико, чтобы удерживать вокруг себя несколько газообразных слоев, которые постепенно сжимались по мере охлаждения планеты, пока она не стала тем, чем кажется. Полученные результаты могут также объяснить "выпуклость" десятков экзопланет с низкой плотностью, обнаруженных к настоящему времени.