Астрономы из Бельгии, используя данные, собранные телескопом «Джеймс Уэбб», провели исследование газового гиганта WASP-107b и выявили в его атмосфере химический элемент, присутствие которого не соответствовало предварительным расчетам.
В 2017 году астрономы обнаружили в системе оранжевого карлика, расположенной примерно в 200 световых годах от нашей планеты открыли экзопланету юпитерианских размеров WASP-107b. По результатам исследований выяснилось, что масса объекта превышает массу Нептуна (1,8 массы Нептуна, что приблизительно равно 30 массам Земли), а его радиус немного меньше радиуса Юпитера (0,94 радиуса Юпитера). Эти параметры свидетельствуют о том, что плотность WASP-107b должна быть значительно ниже плотности любой известной экзопланеты — 0,134 грамма на кубический сантиметр, что в разы меньше плотности воды.
WASP-107b обращается вокруг звезды, которая немного прохладнее и легче нашего Солнца, на расстоянии 0,06 астрономической единицы – это приблизительно девять миллионов километров. Один полный оборот вокруг своей звезды этот объект делает за 5,7 земных суток.
Согласно результатам компьютерного моделирования, экзопланета, скорее всего, имеет ядро, чья масса составляет не менее 4,6 масс Земли, и обладает значительной «распухшей» газовой оболочкой из гелия и водорода. По расчетам, масса этой оболочки должна составлять 85 процентов от общей массы планеты. Но из-за близкого расположения к своей звезде экзопланета теряет атмосферу под действием ультрафиолетового излучения. Скорость потери варьируется от 0,1 до четырех процентов от общей массы за миллиард лет, при этом у планеты образуется вытянутый кометоподобный хвост.
Отметим, что наблюдения за WASP-107b проводили еще до запуска космического телескопа NASA «Телескоп «Джеймс Уэбб» ознаменовал начало новой эпохи в астрономии.
Специалисты из Левенского католического университета в Бельгии проанализировали данные, собранные телескопом «Уэбб» с использованием его инструмента MIRI, обеспечивающего возможность наблюдений в среднем и длинном инфракрасном диапазоне длин волн для более глубокого изучения атмосферы WASP-107b.
В работе, опубликованной в журнале Nature, астрономы сообщили об обнаружении водяного пара и сероводорода, или диоксида серы, в газовой оболочке супернептуна ( SO2), а также силикаты — главный элемент, составляющий песок на нашей планете.
«Небольшая плотность экзопланеты, что указывает на ее «раздутость», позволила провести исследование ее атмосферы на глубину в 50 раз большую, чем, например, при изучении Юпитера. Это объясняется тем, что спектральные характеристики экзопланеты гораздо лучше просматриваются в менее плотной атмосфере, чем в плотной», — пояснила один из авторов исследования Лин Дечин (Leen Decin).
Обнаружение химических элементов в атмосферах экзопланет, в особенности тех, что необходимы для зарождения жизни, уже не является чем-то новым. С появлением обсерватории «Уэбб» такие находки стали происходить все чаще. Однако, не это стало сюрпризом для исследователей.
Прежде всего, речь идет о сернистом газе. Ранее его фиксировали в атмосферах экзопланет, однако только в горячих газовых гигантах с температурой около 927 градусов Цельсия. Температура на WASP-107b — температура ниже 450 градусов, что указывает на то, что экзопланета представляется слишком «холодной» для образования сернистого газа в ее атмосфере. Компьютерное моделирование указывало на его полное отсутствие на WASP-107b.
Возникает вопрос, зачем оно там находится? Согласно предположению, высказанному Дечин и ее соавторами, формирование этого химического соединения может быть обусловлено особенностями «расширенной» газовой оболочки планеты-гиганта.
Поскольку родительская звезда экзопланеты характеризуется относительно низкой температурой, она излучает ограниченное количество фотонов с высокой энергией. Несмотря на это, из-за малой плотности и расширенной структуры атмосферы экзопланеты, эти фотоны способны проникать в ее слои, вызывая химические процессы, приводящие к образованию сернистого газа.
Неожиданной находкой для исследователей также оказались силикатные облака, расположенные в верхних слоях атмосферы WASP-107b.
На Земле вода переходит в твердое состояние при низких температурах. На горячих газовых гигантах некоторые химические элементы, включая силикаты, способны к замерзанию и формированию облаков при совершенно иных условиях. Так, это явление можно наблюдать у экзопланет с температурой около 1000 градусов. В случае с WASP-107b, в условиях, когда температура составляет чуть меньше 450 градусов, существующие модели прогнозировали формирование подобных облаков на значительной глубине атмосферы, однако бельгийские астрономы зафиксировали их на больших высотах. Что послужило причиной такого расхождения?
По мнению ученых, силикаты испаряются в более глубоких и сильно нагретых слоях атмосферы, после чего в виде пара поднимаются выше, в более прохладные области. Там пар конденсируется, формируя новые облака. Затем выпадают осадки, и цикл повторяется – этот процесс во многом напоминает земной круговорот воды. Подобная непрерывная сублимация и конденсация, сопровождаемые вертикальным переносом, вероятно, и обуславливают постоянное наличие силикатных облаков в верхних слоях атмосферы WASP-107b.
Авторы подчеркнули, что их исследование не только позволяет лучше понять природу супернептунов, но и углубляет представления об атмосферах подобных объектов. Полученные данные способны усовершенствовать модели формирования и развития экзопланет, учитывающие сложные взаимодействия химических соединений и климатических факторов на этих отдаленных планетах.