Webb Space Telescope onthult geval van gezwollen exoplaneet ‘Marshmallow Microwave’

Het plotselinge gebrek aan methaan suggereert dat de getijdenverwarming de atmosfeer van de warme gasgigant WASP-107 b heeft opgeblazen.

Waarom wordt warm gas als een reus beschouwd? Exoplaneet WASP-107b te gezwollen? Met een gematigde temperatuur en extreem lage dichtheid, vergelijkbaar met die van een marshmallow in de magnetron, lijkt het de standaardtheorieën over planetaire vorming en evolutie te trotseren.

Twee onafhankelijke teams van onderzoekers denken dat ze het door hebben. Gegevens van Webb, gecombineerd met eerdere waarnemingen van Hubble, laten zien dat het interieur van WASP-107 b veel heter zou moeten zijn dan eerder werd geschat. De onverwacht hoge temperaturen, waarvan wordt gedacht dat ze worden veroorzaakt door getijdenkrachten die de planeet uitrekken als stom stopverf, zouden kunnen verklaren hoe planeten als WASP-107 b zo drijvend kunnen zijn, en misschien een al lang bestaand mysterie in de exoplanetenwetenschap kunnen oplossen.

Het concept van deze kunstenaar laat zien hoe de exoplaneet WASP-107 b eruit zou kunnen zien op basis van recente gegevens verzameld door NASA’s James Webb Space Telescope, samen met eerdere waarnemingen van Hubble en andere telescopen in de ruimte en op de grond. WASP-107 b is een ‘warme Neptunus’ exoplaneet die rond een kleine, relatief koele ster draait, ongeveer 210 lichtjaar van de aarde, in het sterrenbeeld Maagd. De planeet is qua volume ongeveer 80% zo groot als Jupiter, maar de massa is minder dan 10% van die van Jupiter, waardoor het een van de minst massieve exoplaneten is die we kennen. Afbeelding tegoed: NASA, ESA, Canadian Space Agency, Ralph Crawford (STScI)

Webb Space Telescope onthult geval van een opgeblazen exoplaneet

Waarom is de warme gasreus exoplaneet WASP-107 b zo opgeblazen? Twee onafhankelijke onderzoeksteams hebben nu een antwoord.

Gegevens verzameld met behulp van NASA’s James Webb-ruimtetelescoop, evenals eerdere waarnemingen van NASA’s Hubble-ruimtetelescoop, tonen een sporenhoeveelheid methaan (CH).₄) in de atmosfeer van de planeet. Dit suggereert dat het interieur van WASP-107 b aanzienlijk heter moet zijn en dat de kern veel groter moet zijn dan eerder werd geschat.

Aangenomen wordt dat de onverwacht hoge temperatuur het resultaat is van getijdenopwarming veroorzaakt door de enigszins onregelmatige baan van de planeet, en zou kunnen verklaren hoe WASP-107 b opgeblazen had kunnen worden zonder toevlucht te nemen tot extreme theorieën over hoe het gevormd werd.

De bevindingen, mogelijk gemaakt door de uitzonderlijke gevoeligheid van Webb en het bijbehorende vermogen om licht te meten dat door exoplanetaire atmosferen gaat, kunnen de opgeblazenheid van tientallen exoplaneten met lage dichtheid verklaren en een al lang bestaand mysterie in de exoplanetenwetenschap helpen oplossen.

Het probleem met WASP-107b

Ruim driekwart van de omvang Jupiter Maar minder dan een tiende van de massa is ‘warm’. NeptunusDe exoplaneet WASP-107 b is een van de minst bekende planeten. Hoewel uitstulpende planeten niet ongewoon zijn, zijn de meeste heter en massiever, en dus gemakkelijker te verklaren.

“Gebaseerd op zijn straal, massa, leeftijd en veronderstelde interne temperatuur, dachten we dat WASP-107 b een heel kleine rotsachtige kern had, omringd door een enorme massa waterstof en helium”, legt Louis Wilbanks van de Arizona State University (ASU) uit. De hoofdauteur van een artikel dat op 20 mei in het tijdschrift werd gepubliceerd natuur. ‘Maar het was moeilijk te begrijpen hoe zo’n kleine kern zoveel gas kon opzuigen en vervolgens niet meer volledig kon uitgroeien tot een planeet met de massa van Jupiter.’

Dit transmissiespectrum, vastgelegd met NASA’s Hubble en James Webb ruimtetelescopen, toont de hoeveelheden sterrenlicht in verschillende golflengten (kleuren) die worden geblokkeerd door de atmosfeer van de gasreus exoplaneet WASP-107 b.
Het spectrum omvat licht dat is verzameld door vijf afzonderlijke waarnemingen met in totaal drie verschillende instrumenten: Hubble’s WFC3 (0,8–1,6 micron), Webb’s NIRCam (2,4–4,0 micron en 3,9–5,0 micron) en Webb’s MIRI (5–12 micron). Elke reeks metingen werd gedaan door het planeet-stersysteem gedurende ongeveer 10 uur voor, tijdens en na de transitie te observeren terwijl de planeet langs de oppervlakte van de ster bewoog.
Door de helderheid van het licht dat door de atmosfeer van een planeet wordt gefilterd (doorgelaten licht) te vergelijken met ongefilterd sterlicht, is het mogelijk te berekenen hoeveel van elke golflengte door de atmosfeer wordt geblokkeerd. Omdat elk molecuul een unieke combinatie van golflengten absorbeert, kan het transmissiespectrum worden gebruikt om de overvloed aan verschillende gassen te beperken.
Dit spectrum toont duidelijk bewijs van de aanwezigheid van water (H2O), kooldioxide (CO2), koolmonoxide (CO), methaan (CH4), zwaveldioxide (SO2) en ammoniak (NH3) in de atmosfeer van de planeet, waardoor onderzoekers schattingen kunnen maken de binnenatmosfeer van de planeet. Temperatuur en massa van de kern.
De golflengtedekking van optisch tot midden-infrarood is het breedste transmissiespectrum van alle exoplaneten tot nu toe, en omvat de eerste detectie door een ruimtetelescoop van ammoniak in de atmosfeer van een exoplaneet.
Afbeelding tegoed: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI), Luis Welbanks (ASU), JWST MANATEE-team

Als WASP-107 b meer massa had dan zijn kern, zou de atmosfeer gekrompen zijn naarmate de planeet na zijn ontstaan ​​in de loop van de tijd afkoelde. Zonder een warmtebron om het gas opnieuw uit te breiden zou de planeet veel kleiner moeten zijn. Hoewel WASP-107 b een baanafstand heeft van slechts 8 miljoen kilometer (een zevende van de afstand tussen Mercurius en de zon), ontvangt hij niet genoeg energie van zijn ster om zo sterk op te blazen.

“WASP-107 b is een interessant doelwit voor de Webb omdat hij aanzienlijk koeler is en qua massa meer op Neptunus lijkt dan veel van de andere planeten met een lage dichtheid, zoals de hete Jupiters, die we hebben bestudeerd”, zegt David Singh van Jones Universiteit. Hopkins University (JHU), hoofdauteur van A Parallelle studie Vandaag ook gepubliceerd in natuur. “Als gevolg hiervan zouden we methaan en andere moleculen moeten kunnen detecteren die ons informatie kunnen geven over de chemie en interne dynamiek ervan die we niet kunnen krijgen van een hetere planeet.”

Een schat aan voorheen niet-detecteerbare moleculen

De gigantische straal, de uitgebreide atmosfeer en de randbaan van WASP-107 b maken hem ideaal voor transmissiespectroscopie, een methode die wordt gebruikt om verschillende gassen in de atmosferen van exoplaneten te identificeren op basis van hoe ze het sterlicht beïnvloeden.

Door observaties van Webb’s NIRCam (nabij-infraroodcamera), Webb’s MIRI (midden-infraroodinstrument) en Hubble’s WFC3 (Wide Field Camera 3) te combineren, kon het Webbanks-team een ​​breed scala aan geabsorbeerd licht construeren van 0,8 tot 12,2 micron . Door de atmosfeer van WASP-107 b. Met behulp van Webb’s NIRSpec (nabij-infraroodspectrometer) bouwde het team van Sing een onafhankelijk spectrum van 2,7 tot 5,2 micron.

De nauwkeurigheid van de gegevens maakt het mogelijk om niet alleen de overvloed aan een rijkdom aan moleculen, waaronder waterdamp (H₂O) en methaan (CH₄), kooldioxide (CO₂), koolmonoxide (CO), zwaveldioxide (SO₂) en ammoniak (NH₃).

Dit transmissiespectrum, opgenomen met de nabij-infraroodspectrograaf van Webb, toont de hoeveelheden verschillende golflengten (kleuren) van nabij-infrarood sterlicht die worden geblokkeerd door de atmosfeer van de gasreuzenexoplaneet WASP-107 b.
Het spectrum is ontstaan ​​door het planeet-stersysteem ongeveer 8,5 uur lang te observeren vóór, tijdens en na de transitie terwijl de planeet langs de oppervlakte van de ster beweegt.
Door de helderheid van het licht dat door de atmosfeer van een planeet wordt gefilterd (doorgelaten licht) te vergelijken met ongefilterd sterlicht, is het mogelijk te berekenen hoeveel van elke golflengte door de atmosfeer wordt geblokkeerd. Omdat elk molecuul een unieke combinatie van golflengten absorbeert, kan het transmissiespectrum worden gebruikt om de overvloed aan verschillende gassen te beperken.
Dit spectrum toont duidelijk bewijs van de aanwezigheid van water (H2O), kooldioxide (CO2), koolmonoxide (CO), methaan (CH4) en zwaveldioxide (SO2) in de atmosfeer van de planeet, waardoor onderzoekers de interne temperatuur kunnen schatten en massa van de planeet. essence.
Afbeelding tegoed: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI), David Sing (JHU), NIRSpec GTO Transiting Exoplanet Team

Kokend gas, heet interieur, massieve kern

Beide spectra laten een verrassend tekort aan methaan zien in de atmosfeer van planeet WASP-107 b: een duizendste van de verwachte hoeveelheid op basis van de veronderstelde temperatuur.

“Dit is een bewijs dat heet gas dat van diep in de planeet komt, zich sterk moet vermengen met de koelere lagen erboven”, legt Singh uit. “Methaan is onstabiel bij hoge temperaturen. Het feit dat we zo weinig hebben gedetecteerd, ook al hebben we andere koolstofhoudende moleculen gedetecteerd, vertelt ons dat het binnenste van de planeet veel heter moet zijn dan we dachten.”

De waarschijnlijke bron van de extra interne energie van WASP-107 b is de getijdenverwarming die wordt gegenereerd door zijn enigszins elliptische baan. Omdat de afstand tussen de ster en de planeet in de loop van 5,7 dagen voortdurend verandert, verandert ook de zwaartekracht, waardoor de planeet uitzet en opwarmt.

Onderzoekers hadden eerder gesuggereerd dat getijdenverwarming een oorzaak zou kunnen zijn van de zwelling van WASP-107 b, maar tot de resultaten van Webb was er geen bewijs.

Toen eenmaal was bevestigd dat de planeet voldoende interne warmte had om de atmosfeer volledig te animeren, realiseerde het team zich dat de spectra ook een nieuwe manier konden bieden om de grootte van de kern te schatten.

“Als we weten hoeveel energie er op de planeet aanwezig is, en we weten welk aandeel van de zwaardere elementen zoals koolstof, stikstof, zuurstof en zwavel zich op de planeet bevinden, versus de hoeveelheid waterstof en helium, kunnen we berekenen hoeveel massa de planeet heeft. zou moeten hebben.” Daniel Thorngren van JHU legde het uit.

De kernmassa blijkt minstens twee keer zo groot te zijn als oorspronkelijk werd geschat, wat logischer is in termen van hoe planeten ontstaan.

Over het geheel genomen is WASP-107 b niet zo mysterieus als het eerder leek.

“De gegevens van Webb vertellen ons dat planeten als WASP-107 b niet op een vreemde manier hoefden te ontstaan ​​met een heel kleine kern en een enorme gasomhulling”, legt Mike Lane van de Arizona State University uit. “In plaats daarvan zouden we iets kunnen nemen dat op Neptunus lijkt, met veel gesteente en niet veel gas, gewoon de temperatuur verhogen en het verplaatsen zodat het er hetzelfde uitziet.”

Referentie: “Hoge interne warmteflux en een grote kern in de warme exoplaneet Neptunus” door Lewis Wilbanks, Taylor J. Bell, Thomas J. Beatty, Michael R. Lane, Kazumasa Ono, Jonathan J. Fortney, Everett Schlewein, Thomas P. Groen, Emily Rauscher, Peter McGill, Matthew Murphy, Vivien Parmentier, Yao Tang, Isaac Edelman, Sajnik Mukherjee, Lindsay S. Weiser, Pierre-Olivier Lagage, Akren Derek en Kenneth E. Arnold, 20 mei 2024, natuur.
doi: 10.1038/s41586-024-07514-s

de James Webb-ruimtetelescoop Het is het eerste observatorium voor ruimtewetenschap ter wereld. Webb lost de mysteries van ons zonnestelsel op, kijkt verder dan de verre werelden rond andere sterren en onderzoekt de mysterieuze structuren en oorsprong van ons universum en onze plaats daarin. WEB is een internationaal geleid programma NASA Met zijn partners de European Space Agency (ESA)Europese Ruimtevaartorganisatie) en CSA (Canadian Space Agency).