За допомогою набору даних, отриманих телескопом «Джеймс Вебб», група астрономів з Бельгії змогла «заглянути» вглиб газового гіганта WASP-107b і виявила в його атмосфері хімічний елемент, якого, за всіма розрахунками, там бути не повинно.
Екзопланета WASP-107b та її батьківська зірка в уяві художника / © Leen Decin, KU Leuven, Бельгія
У 2017 році в системі помаранчевого карлика, приблизно у 200 світлових роках від Землі, астрономи відкрили екзопланету юпітеріанських розмірів WASP-107b. Виявилося, об’єкт трохи масивніше Нептуна (1,8 маси Нептуна, або близько 30 мас Землі), а його радіус трохи не дотягує до радіуса Юпітера (0,94 радіуса Юпітера). Такі характеристики вказували на те, що щільність WASP-107b повинна бути значно нижче щільності будь-якої відомої екзопланети – 0,134 грама на кубічний сантиметр, що в рази менше щільності води.
WASP-107b обертається навколо зірки, трохи холоднішої і менш масивної, ніж наше Сонце, на відстані 0,06 астрономічної одиниці (або майже дев’ять мільйонів кілометрів). Повний оборот навколо батьківського світила об’єкт робить за 5,7 земних діб.
Комп’ютерне моделювання показало, що екзопланета, ймовірно, володіє ядром, з масою не менше 4,6 маси Землі, а також сильно «розпухлою» газовою оболонкою з гелію і водню. За розрахунками, маса цієї оболонки повинна становити 85 відсотків від загальної маси планети. Але через близьке розташування до своєї зірки екзопланета втрачає атмосферу під дією ультрафіолетового випромінювання. Швидкість втрати варіюється від 0,1 до чотирьох відсотків від загальної маси за мільярд років, при цьому у планети утворюється витягнутий кометоподібний хвіст.
Зазначимо, що спостереження за WASP-107b проводили ще до запуску космічного телескопа NASA «Джеймс Вебб», який відкрив нову еру в астрономії.
- Секрети “місячної води”
- Вчені відтворили гелевий дощ на Юпітері і Сатурні в лабораторії
- Повільне зростання сонячних плям виявилося загадкою
Група вчених з Левенського католицького університету (Бельгія) скористалася набором даних «Вебба», які він отримав за допомогою інструменту MIRI, що дозволяє вести спостереження в середньому і довгому інфрачервоному діапазонах хвиль, щоб краще вивчити атмосферу WASP-107b.
У роботі, опублікованій в журналі Nature, астрономи розповіли, що їм вдалося виявити в газовій оболонці супернептуна водяну пару, сірчистий газ, або діоксид сірки (SO2), а також силікати — основний компонент піску на Землі.
Саме по собі відкриття хімічних елементів в атмосферах екзопланет, в тому числі тих, які важливі для виникнення життя, давно не новина. Із запуском обсерваторії “Вебб” такі відкриття тільки почастішали. Але вчених здивувало інше.
Спектр екзопланети, зареєстрований інструментом MIRI, який стоїть на борту телескопа «Джеймс Вебб». Графік показує наявність в атмосфері Wasp-107b водяної пари, діоксиду сірки та силікатів / © Leen Decin, KU Leuven, Бельгія
По-перше, сірчистий газ. Його знаходили і раніше в атмосферах екзопланет, але лише на гарячих газових гігантах із середньою температурою 927 градусів Цельсія. Температура на WASP-107b – менше 450 градусів, а це означає, що екзопланета вважається занадто «холодною», щоб в її атмосфері сформувався сірчистий газ. Комп’ютерні моделі передбачали повну його відсутність на WASP-107b.
- Політ над Плутоном (відео)
- Найбільші галактики Всесвіту повні погаслих зірок
- “Джеймс Вебб” зробив найчіткішу фотографію зірки в історії
Тоді чому він там є? Одне з можливих пояснень, запропоноване Дечин та її колегами, полягає в тому, що утворенню цієї хімічної сполуки сприяє сама «набрякла» газова оболонка гіганта.
Батьківська зірка екзопланети відносно холодна – значить, світило випускає невелику кількість високоенергетичних фотонів. Однак ці фотони можуть глибоко проникати в атмосферу екзопланети через її низьку щільність і «роздуття», після чого викликати хімічні реакції, які необхідні для отримання сірчистого газу.
Ще одним “сюрпризом” для вчених стали силікатні хмари у верхніх шарах атмосфери WASP-107b.
На Землі вода замерзає при низьких температурах. На гарячих газових гігантах деякі хімічні елементи, включаючи силікати, можуть замерзати, утворюючи хмари, за дуже різних умов. Наприклад, це спостерігається в екзопланет з температурою приблизно 1000 градусів. У випадку з WASP-107b, де температура трохи нижче 450 градусів, моделі передбачали, що такі хмари повинні формуватися досить глибоко в атмосфері, але бельгійські астрономи «побачили» їх на великих висотах. Як так сталося?
Дослідники вважають, що силікати випаровуються в більш глибоких і дуже гарячих шарах атмосфери, а потім паром піднімаються вгору, де прохолодніше. Там він конденсується, і з’являються нові хмари. Після випадають дощі, і процес повторюється: він багато в чому подібний до того, що відбувається на Землі з кругообігом води. Такий безперервний цикл сублімації і конденсації за допомогою вертикального перенесення, можливо, і служить причиною постійної присутності силікатних хмар у верхній атмосфері WASP-107b.
Автори відзначили, що їх дослідження не тільки проливає світло на незвичайний світ супернептуна, але і розширює межі уявлень про атмосферу таких об’єктів. Ці результати могли б покращити моделі формування та еволюції екзопланет, засновані на складних взаємодіях хімічних речовин та кліматичних умов на таких далеких світах.