Почему экзопланета WASP-107 b, являющаяся теплым газовым гигантом, такая раздутая? Две независимые команды исследователей нашли ответ. Данные, собранные с помощью космического телескопа НАСА "Джеймс Уэбб", в сочетании с предыдущими наблюдениями, полученными с помощью космического телескопа НАСА "Хаббл", показывают удивительно низкое содержание метана (CH4) в атмосфере планеты, что указывает на то, что внутренняя часть WASP-107 b должна быть значительно горячее, а ядро - намного массивнее, чем предполагалось ранее. Считается, что неожиданно высокая температура является результатом приливного нагрева, вызванного слегка некруглой орбитой планеты, и может объяснить, как WASP-107 b может быть настолько раздутой, не прибегая к экстремальным теориям о том, как она образовалась. Результаты, которые стали возможны благодаря исключительной чувствительности Уэбба и сопутствующей ему способности измерять свет, проходящий через атмосферу экзопланет, могут объяснить одутловатость десятков экзопланет с низкой плотностью, помогая разгадать давнюю тайну в науке об экзопланетах.
Обладая объемом более чем в три четверти от объема Юпитера, но массой менее чем в одну десятую массы "теплого Нептуна", экзопланета WASP-107 b является одной из наименее плотных из известных планет. Хотя пухлые планеты не редкость, большинство из них более горячие и массивные, и поэтому их легче объяснить. "Основываясь на ее радиусе, массе, возрасте и предполагаемой внутренней температуре, мы предположили, что у WASP-107 b очень маленькое каменистое ядро, окруженное огромной массой водорода и гелия", - объяснил Луис Уэлбэнкс из Университета штата Аризона (ASU), ведущий автор статьи, опубликованной сегодня в Nature. "Но было трудно понять, как такое маленькое ядро могло поглотить так много газа, а затем полностью превратиться в планету массой с Юпитер". Если бы у WASP-107 b было больше массы в ядре, атмосфера должна была бы сжиматься по мере того, как планета охлаждалась с момента своего образования. Без источника тепла для повторного расширения газа планета должна была бы быть 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 раздуваться.
"WASP-107 b - такая интересная цель для Webb, потому что она значительно холоднее и больше похожа на Нептун по массе, чем многие другие планеты с низкой плотностью, горячие Юпитеры, которые мы изучали", - сказал Дэвид Синг из Университета Джона Хопкинса (JHU), ведущий автор исследования. параллельное исследование также опубликовано сегодня в журнале Nature. "В результате мы сможем обнаружить метан и другие молекулы, которые могут дать нам информацию о его химическом составе и внутренней динамике, которую мы не можем получить на более горячей планете". Гигантский радиус WASP-107 b, протяженная атмосфера и близкая орбита делают ее идеальной для просвечивающей спектроскопии - метода, используемого для идентификации различных газов в атмосфере экзопланеты на основе того, как они влияют на свет звезд. Объединив наблюдения с помощью NIRCam (камеры ближнего инфракрасного диапазона), MIRI (прибора среднего инфракрасного диапазона) и WFC3 (широкоугольной камеры 3), команда Уэлбэнкса смогла получить широкий спектр света от 0,8 до 12,2 микрон, поглощаемого атмосферой WASP-107 b.. Используя спектрограф Уэбба NIRSpec (ближний инфракрасный спектрограф), команда Синга построила независимый спектр, охватывающий 2,7-5,2 мкм.
Точность полученных данных позволяет не просто обнаружить, но и фактически измерить содержание множества молекул, включая водяной пар (H2O), метан (CH4), диоксид углерода (CO2), монооксид углерода (CO), диоксид серы (SO2) и аммиак (NH3). 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, должно быть, интенсивно перемешивается с более холодными слоями, расположенными выше", - пояснил Синг. "Метан нестабилен при высоких температурах. Тот факт, что мы обнаружили так мало, несмотря на то, что мы обнаружили другие молекулы, содержащие углерод, говорит нам о том, что внутри планеты, должно быть, значительно жарче, чем мы думали". Вероятным источником дополнительной внутренней энергии WASP-107 b является приливный нагрев, вызванный ее слегка эллиптической орбитой. Поскольку расстояние между звездой и планетой постоянно меняется на протяжении 5,7-дневной орбиты, гравитационное притяжение также меняется, растягивая планету и нагревая ее.
Ранее исследователи предполагали, что причиной отечности WASP-107b может быть приливный нагрев, но до получения результатов Уэбба не было никаких доказательств. Как только они установили, что планета обладает достаточным внутренним теплом, чтобы основательно разогреть атмосферу, ученые поняли, что спектры также могут дать новый способ оценки размера ядра. "Если мы знаем, сколько энергии содержится в планете, и мы знаем, какая доля планеты приходится на более тяжелые элементы, такие как углерод, азот, кислород и серу, по сравнению с тем, сколько на ней водорода и гелия, мы можем рассчитать, какая масса должна быть в ядре", - объяснил Дэниел Торнгрен из JHU. Оказывается, ядро по меньшей мере в два раза массивнее, чем предполагалось изначально, что имеет больше смысла с точки зрения того, как образуются планеты. В целом, WASP-107 b не так загадочна, как казалось раньше. "Данные Уэбба говорят нам о том, что планеты, подобные WASP-107 b, не должны были образовываться каким-то странным образом со сверхмалым ядром и огромной газовой оболочкой", - пояснил Майк Лайн из ASU. "Вместо этого мы можем взять что-то более похожее на Нептун, с большим количеством камня и не таким большим количеством газа, просто увеличить температуру и придать ему такой вид, какой он есть".
