«Экзопланета WASP-107 b, известная как «теплый Юпитер», не соответствовала общепринятым представлениям о формировании планет, поскольку обладает слишком низкой плотностью при относительно небольшой массе. Ученые из двух независимых исследовательских групп смогли найти объяснение всем уникальным характеристикам этой планеты, проанализировав данные, полученные с помощью космического телескопа «Джеймс Уэбб».
В 2017 году астрономы выявили транзитирующую экзопланету WASP-107 b у звезды спектрального класса K, расположенной на расстоянии около 200 световых лет в направлении созвездия Девы. Эта планета вращается вокруг своей звезды на расстоянии в семь раз меньшем, чем Меркурий от Солнца. Продолжительность ее орбитального периода составляет всего 5,7 земных дней. Близость к звезде и отсутствие твердой поверхности исключают возможность существования на ней условий, пригодных для жизни. Однако экзопланета привлекла внимание исследователей, поскольку ее характеристики не соответствуют существующим моделям формирования планет.
WASP-107 b по своим размерам схожа с Юпитером, однако ее масса в десять раз меньше. Такой значительный радиус обусловлен «раздутой» атмосферой. Первоначальные данные указывали на то, что более 85 процентов массы планеты приходится на ее газовую оболочку. Это ближе к характеристикам Юпитера и Сатурна (около 90 процентов), чем к характеристикам Нептуна и Урана (5-15 процентов). При этом, согласно оценкам ученых, масса ядра оказалась ниже пяти земных масс. К слову, масса ядра Юпитера составляет 14-18 земных масс.
«Основываясь на радиусе, массе, возрасте и предполагаемой внутренней температуре, мы пришли к выводу, что у WASP-107 b должно быть очень маленькое каменное ядро, окруженное значительным количеством водорода и гелия. Нам было сложно объяснить, каким образом такое небольшое ядро смогло удержать такое количество газа, и почему этот процесс прекратился, не приведя к формированию планеты с массой, сравнимой с Юпитером», — объяснил Луис Уэлбенкс, сотрудник Аризонского государственного университета в США, является ведущим автором одного из свежих исследований, посвященных экзопланете.
Объяснение такой оценки заключается в следующем: если бы ядро обладало большей массой, атмосфера WASP-107 b уменьшилась бы в объеме в процессе эволюционного охлаждения планеты. Несмотря на расположение вблизи звезды, экзопланета находится на слишком большом расстоянии, чтобы объяснить её «расширение» воздействием светила. Таким образом, причиной является недостаточная гравитация ядра, но тогда как оно могло сформировать такой «кокон»?
Благодаря тому, что планета периодически проходит между нами и своей звездой, ученые имеют возможность исследовать состав ее атмосферы. Две независимые группы исследователей обратились с запросом на получение спектральных данных от космического телескопа «Джеймс Уэбб». Уэлбенкс и его коллеги удалось определить источник тепла, объясняющий раздутую атмосферу. Дэвид Синг и его международная группа ученых смогли выявить сильное «перемешивание» атмосферы, а также скорректировать массу и температуру ядра. Обе работы опубликованы в журнале Nature.
«Анализ внутреннего строения планет, расположенных на расстоянии сотен световых лет, представляется невыполнимой задачей. Однако, располагая данными о массе, радиусе, составе атмосферы и внутренней температуре, можно предположить, какие слои скрываются в недрах планеты и какой массой обладает её ядро. Благодаря такому подходу, появляется возможность исследовать большое количество газовых гигантов в разных звёздных системах», — объяснил Дэвид Синг — заслуженный профессор наук о Земле и планетах из Университета Джонса Хопкинса, расположенного в США).
В атмосфере экзопланеты WASP-107 b астрономы зафиксировали присутствие воды, углекислого газа, угарного газа, сернистого газа, метана и аммиака. Анализ состава атмосферы позволил ученым оценить структуру планеты, в частности, соотношение ядра и атмосферы, а также определить возможные химические реакции, происходящие в ее атмосфере.
Согласно свежим данным наблюдений, экзопланета WASP-107 b характеризуется высокой концентрацией металлов, повышенной внутренней температурой, превышающей 350 кельвинов, и значительной интенсивностью перемешивания в ее атмосфере.
Согласно расчетам, проведенным командой Уэлбенкса, подобная внутренняя температура обусловлена приливным разогревом, возникающим в результате взаимодействия звезды и планеты. Эксцентриситет орбиты WASP-107 b не является чрезмерно большим (e = 0,06 ± 0,04), однако этого значения достаточно для возникновения такого разогрева.
Параллельно группа Синга обратила внимание на другой показатель – крайне низкое содержание метана. Его концентрация оказалась в тысячу раз ниже ожидаемой. Метан не отличается стабильностью при высоких температурах. Учитывая столь незначительное количество, можно предположить, что в ходе своего пути через слои атмосферы он реагирует с другими веществами и излучением звезды.
По мнению специалистов из группы Синга, температура ядра экзопланеты WASP-107 b составляет около 460 кельвинов, что соответствует результатам, полученным группой Уэлбенкса. Такая высокая температура оказывает влияние на химический состав газов, находящихся в недрах планеты, и вызывает активные процессы в ее атмосфере. В этих условиях метан разлагается, а концентрация углекислого и угарного газа возрастает.
Принимая во внимание все доступные данные и исходя из гипотезы о том, что ядро планеты состоит из камня и воды в равных пропорциях, специалисты рассчитали вероятную массу ядра WASP-107 b — 11,5 земных масс. Таким образом, оно составляет треть общей массы планеты. Этот показатель вполне соответствует существующим моделям формирования планет, особенно если учитывать эффект приливного разогрева.
По заявлению Зафара Рустамкулова, представителя группы «Синга», ученые-астрономы впервые установили прямой «контакт» между внутренним устройством экзопланеты и верхними слоями ее атмосферы. Более того, впервые с высокой статистической вероятностью получилось рассчитать параметры ядра экзопланеты.
Согласно двум проведенным исследованиям, можно сделать вывод о том, что приливной разогрев, вызванный не вполне круглой орбитой, способен существенно изменять химический состав атмосферы и внутреннее строение значительной части холодных экзопланет (температура ниже 1000 кельвинов) с массой, сопоставимой с суперземлями и Сатурном.