Уэбб раскрыл дело о раздутой экзопланете

Почему теплый газовый гигант — экзопланета WASP-107 b — такой пухлый? У двух независимых групп исследователей есть ответ.

Данные, собранные космическим телескопом НАСА «Джеймс Уэбб», в сочетании с предыдущими наблюдениями космического телескопа НАСА «Хаббл», показывают удивительно мало метана (CH₄) в атмосфере планеты, что указывает на то, что внутренности WASP-107 b должны быть гораздо горячее, а ядро — гораздо массивнее, чем считалось ранее.

Неожиданно высокая температура, как полагают, является результатом приливного нагрева, вызванного слегка некруглой орбитой планеты, и может объяснить, как WASP-107 b мог быть настолько раздутым, не прибегая к экстремальным теориям о том, как он сформировался.

Результаты, ставшие возможными благодаря необычайной чувствительности «Уэбба» и сопутствующей способности измерять свет, проходящий через атмосферы экзопланет, могут объяснить раздувание десятков экзопланет с низкой плотностью, помогая решить давнюю загадку науки об экзопланетах.

Проблема с WASP-107 b

Теплая нептуновая экзопланета WASP-107 b, объем которой составляет более трех четвертей объема Юпитера, но масса — менее одной десятой, является одной из наименее плотных планет, известных на сегодняшний день. Хотя пухлые планеты — не редкость, большинство из них более горячие и массивные, а значит, их легче объяснить.

«Судя по радиусу, массе, возрасту и предполагаемой внутренней температуре, мы считали, что у WASP-107 b очень маленькое каменистое ядро, окруженное огромной массой водорода и гелия», — объясняет Луис Уэлбэнкс из Университета штата Аризона (ASU), ведущий автор статьи, опубликованной сегодня в Nature. «Но было трудно понять, как такое маленькое ядро могло поглотить столько газа, а затем не дать ему полностью превратиться в планету с массой Юпитера».

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

WASP-107 b — интересная цель для «Уэбба», поскольку она значительно холоднее и по массе больше похожа на Нептун, чем многие другие изученные нами планеты с низкой плотностью и горячими Юпитерами», — говорит Дэвид Синг из Университета Хопкинса (JHU), ведущий автор параллельного исследования. Опубликовано сегодня в Nature.

«В результате мы сможем обнаружить метан и другие молекулы, которые дадут нам информацию о химическом составе и внутренней динамике планеты, которую мы не сможем получить от более горячей планеты».

Многие ранее не обнаруживаемые молекулы

Гигантский радиус WASP-107 b, протяженная атмосфера и орбита, видимая с обода, делают его идеальным объектом для трансмиссионной спектроскопии — метода, используемого для идентификации различных газов в атмосфере экзопланеты по тому, как они влияют на свет звезды.

Объединив наблюдения с помощью NIRCam (камера ближнего инфракрасного диапазона), MIRI (прибор среднего инфракрасного диапазона) и WFC3 (широкоугольная камера 3) Хаббла, команда Уэлбанкса смогла построить широкий спектр поглощенного атмосферой WASP-107 b света от 0,8 до 12,2 микрон. Используя NIRSpec (спектрограф ближнего инфракрасного диапазона), команда Синга построила независимый спектр в диапазоне от 2,7 до 5,2 микрона.

Точность данных позволяет не просто обнаружить, а фактически измерить множество молекул, включая водяной пар (H₂O), метан (CH₄), углекислый газ (CO₂), угарный газ (CO), диоксид серы (SO₂) и аммиак (NH₃).

Бурлящий газ, горячая внутренняя часть и массивное ядро

Оба спектра показывают удивительное отсутствие метана в атмосфере WASP-107 b: одна тысячная от ожидаемого количества, основанного на предполагаемой температуре.

«Это свидетельствует о том, что горячий газ из глубин планеты должен активно перемешиваться с более холодными слоями, расположенными выше», — пояснил Синг. «Метан нестабилен при высоких температурах. Тот факт, что мы обнаружили так мало, хотя мы обнаружили и другие молекулы, содержащие углерод, говорит нам о том, что внутри планеты должно быть гораздо жарче, чем мы думали».

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

Исследователи и раньше предполагали, что причиной разбухания WASP-107 b может быть приливной нагрев, но до результатов, полученных Уэббом, никаких доказательств не было.

Определив, что планета обладает достаточным внутренним теплом, чтобы полностью расшевелить атмосферу, команды поняли, что спектры также могут дать новый способ оценить размер ядра.

«Если мы знаем, сколько энергии содержит планета, и знаем, какую долю 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», — объясняет Даниэль Торнгрен из JHU.

Оказалось, что ядро как минимум вдвое массивнее, чем считалось изначально, что имеет больше смысла с точки зрения формирования планет.

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

«Данные «Уэбба» говорят нам о том, что планеты, подобные WASP-107 b, не должны были формироваться каким-то странным образом с ультрамалым ядром и огромной газовой оболочкой», — объясняет Майк Лайн из ASU. «Вместо этого мы можем взять что-то вроде Нептуна, с большим количеством камней и меньшим количеством газа, просто повысить температуру и накачать ее, чтобы она стала похожа на то, что есть».