Webb knækker tilfælde af oppustet exoplanet

Hvorfor er den varme gasgigantiske exoplanet WASP-107 b så hævet? To uafhængige teams af forskere har et svar.

Data indsamlet ved hjælp af NASAs James Webb-rumteleskop kombineret med tidligere observationer fra NASAs Hubble-rumteleskop viser overraskende lidt metan (CH₄ ) i planetens atmosfære, hvilket indikerer, at det indre af WASP-107 b skal være betydeligt varmere og kernen meget mere massiv end tidligere anslået.

Den uventede høje temperatur menes at være et resultat af tidevandsopvarmning forårsaget af planetens lidt ikke-cirkulære kredsløb, og kan forklare, hvordan WASP-107 b kan blive så oppustet uden at ty til ekstreme teorier om, hvordan den er dannet.

Resultaterne, som blev muliggjort af Webbs ekstraordinære følsomhed og medfølgende evne til at måle lys, der passerer gennem exoplanetatmosfærer, kan forklare hævelsen af ​​snesevis af lavdensitets exoplaneter og hjælpe med at løse et mangeårigt mysterium inden for exoplanetvidenskab.

Problemet med WASP-107 b

Med mere end tre fjerdedele af Jupiters volumen, men mindre end en tiendedel af massen, er den "varme Neptun" exoplanet WASP-107 b en af ​​de mindst tætte planeter kendt. Selvom hævede planeter ikke er ualmindelige, er de fleste varmere og mere massive og derfor nemmere at forklare.

"Baseret på dens radius, masse, alder og formodede indre temperatur, troede vi, at WASP-107 b havde en meget lille, stenet kerne omgivet af en enorm masse af brint og helium," forklarede Luis Welbanks fra Arizona State University (ASU). hovedforfatter på et papir udgivet i dag i Nature . "Men det var svært at forstå, hvordan sådan en lille kerne kunne feje så meget gas op og derefter stoppe med at vokse fuldt ud til en planet med Jupitermasse."

Hvis WASP-107 b i stedet har mere af sin masse i kernen, burde atmosfæren have trukket sig sammen, da planeten er blevet afkølet over tid, siden den blev dannet. Uden en varmekilde til at udvide gassen igen, burde planeten være meget mindre. Selvom WASP-107 b har en omløbsafstand på kun 5 millioner miles (en syvendedel af afstanden mellem Merkur og solen), modtager den ikke nok energi fra sin stjerne til at blive så oppustet.

"WASP-107 b er så interessant et mål for Webb, fordi det er betydeligt køligere og mere Neptun-lignende i masse end mange af de andre lavdensitetsplaneter, de varme Jupiters, vi har studeret," sagde David Sing fra Johns. Hopkins University (JHU), hovedforfatter på en parallel undersøgelse også offentliggjort i dag i Nature .

"Som et resultat burde vi være i stand til at detektere metan og andre molekyler, der kan give os information om dets kemi og indre dynamik, som vi ikke kan få fra en varmere planet."

Et væld af tidligere uopdagelige molekyler

WASP-107 b's gigantiske radius, udvidede atmosfære og kant-on-bane gør den ideel til transmissionsspektroskopi, en metode, der bruges til at identificere de forskellige gasser i en exoplanetatmosfære baseret på, hvordan de påvirker stjernelys.

Ved at kombinere observationer fra Webbs NIRCam (Near-Infrared Camera), Webbs MIRI (Mid-Infrared Instrument) og Hubbles WFC3 (Wide Field Camera 3), var Welbanks' team i stand til at opbygge et bredt spektrum af 0,8- til 12,2 mikron absorberet lys. af WASP-107 b's atmosfære. Ved at bruge Webbs NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) byggede Sings team et uafhængigt spektrum, der dækkede 2,7 til 5,2 mikron.

Præcisionen af ​​dataene gør det muligt ikke bare at detektere, men faktisk at måle mængden af ​​et væld af molekyler, herunder vanddamp (H₂ O), methan (CH₄ ), kuldioxid (CO₂ ), kulilte (CO), svovldioxid (SO₂ ) og ammoniak (NH₃ ).

Roiling gas, varmt interiør og massiv kerne

Begge spektre viser en overraskende mangel på metan i WASP-107 b's atmosfære:en tusindedel af den forventede mængde baseret på dens forudsatte temperatur.

"Dette er bevis på, at varm gas fra dybt inde i planeten skal blandes kraftigt med de køligere lag højere oppe," forklarede Sing. "Metan er ustabil ved høje temperaturer. Det faktum, at vi opdagede så lidt, selvom vi opdagede andre kulstofbærende molekyler, fortæller os, at planetens indre må være betydeligt varmere, end vi troede."

En sandsynlig kilde til WASP-107 b's ekstra indre energi er tidevandsopvarmning forårsaget af dens let elliptiske kredsløb. Med afstanden mellem stjernen og planeten, der ændrer sig kontinuerligt i løbet af den 5,7-dages kredsløb, ændrer tyngdekraften sig også, strækker planeten og opvarmer den.

Forskere havde tidligere foreslået, at tidevandsopvarmning kunne være årsagen til WASP-107 b's hævelse, men indtil Webb-resultaterne forelå, var der ingen beviser.

Da de fandt ud af, at planeten har nok indre varme til grundigt at lave atmosfæren, indså holdene, at spektrene også kunne give en ny måde at estimere kernens størrelse på.

"Hvis vi ved, hvor meget energi der er i planeten, og vi ved, hvor stor en del af planeten der er tungere grundstoffer som kulstof, nitrogen, oxygen og svovl, i forhold til hvor meget der er brint og helium, kan vi beregne, hvor meget masse der skal være i kernen," forklarede Daniel Thorngren fra JHU.

Det viser sig, at kernen er mindst dobbelt så massiv som oprindeligt anslået, hvilket giver mere mening i forhold til, hvordan planeter dannes.

Alt i alt er WASP-107 b ikke så mystisk, som det engang så ud.

"Webb-dataene fortæller os, at planeter som WASP-107 b ikke behøvede at dannes på en underlig måde med en super lille kerne og en enorm gasfyldt konvolut," forklarede Mike Line fra ASU. "I stedet kan vi tage noget mere som Neptun, med en masse sten og ikke så meget gas, bare skrue op for temperaturen og puffe det op for at se ud, som det gør."