ענקית הגז החמה WASP-107 b, הידועה בצפיפותו הנמוכה באופן יוצא דופן ובטמפרטורה המתונה, עשויה להיות בעלת האטמוספירה הנפוחה שלו בשל חימום גאות ושפל שמחמם את הפנים שלו יותר ממה שחשבו בעבר. (קונספט האמן.) קרדיט: twoday.co.il.com
מחסור מפתיע של מתאן מצביע על כך שחימום הגאות והשפל נפח את האטמוספירה של ענקית הגז החמה WASP-107 b.
למה ענק הגז החם אקסופלנט WASP-107 b אז, כל כך נפוח? עם טמפרטורה מתונה וצפיפות נמוכה במיוחד בהשוואה למרשמלו במיקרוגל, נראה שהוא מתנגד לתיאוריות הסטנדרטיות של היווצרות כוכבי לכת ואבולוציה.
שני צוותים עצמאיים של חוקרים חושבים שהם הבינו את זה. נתונים מ-Webb, בשילוב עם תצפיות קודמות של האבל, מראים שחלקו הפנימי של WASP-107 b חייב להיות הרבה יותר טעים ממה שהוערך קודם לכן. הטמפרטורה הגבוהה באופן בלתי צפוי, שנחשבת נגרמת על ידי כוחות גאות ושפל שמותחים את כוכב הלכת כמו שפכטל מטופש, יכולה להסביר כיצד כוכבי לכת כמו WASP-107 b יכולים להיות כל כך מטושטשים, ואולי לפתור תעלומה ארוכת שנים במדע כוכבי הלכת.
הקונספט של אמן זה מראה כיצד יכול להיראות כוכב הלכת WASP-107 b על סמך נתונים עדכניים שנאספו על ידי טלסקופ החלל ג'יימס ווב של נאס"א, יחד עם תצפיות קודמות מהאבל וטלסקופים אחרים מבוססי חלל וקרקע. WASP-107 b הוא כוכב הלכת "נפטון חם" המקיף כוכב קטן וקריר יחסית במרחק של כ-210 שנות אור מכדור הארץ, בקבוצת הכוכבים בתולה. כוכב הלכת הוא כ-80% מגודלו של צדק במונחים של נפח, אך יש לו מסה של פחות מ-10% מצדק, מה שהופך אותו לאחד מכוכבי הלכת החיצוניים הפחות צפופים הידועים. קרדיט: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI)
טלסקופ החלל Webb סדק מארז של כוכב הלכת מנופח
מדוע כוכב החוץ ענק הגז החם WASP-107 b כל כך נפוח? לשני צוותי מחקר עצמאיים יש כעת תשובה.
נתונים שנאספו באמצעות טלסקופ החלל ג'יימס ווב של נאס"א, בשילוב עם תצפיות קודמות מטלסקופ החלל האבל של נאס"א, מראים מעט מתאן באופן מפתיע (CH4) באטמוספירה של הפלנטה. זה מצביע על כך שהחלק הפנימי של WASP-107 b חייב להיות חם משמעותית והליבה הרבה יותר מסיבית ממה שהוערך בעבר.
הטמפרטורה הגבוהה באופן בלתי צפוי נחשבת כתוצאה מחימום הגאות והשפל שנגרם על ידי מסלולו המעט לא מעגלי של כוכב הלכת, ויכולה להסביר כיצד ניתן לנפח את WASP-107 b כל כך מבלי להזדקק לתיאוריות קיצוניות לגבי אופן היווצרותו.
התוצאות, שהתאפשרו הודות לרגישות יוצאת הדופן של ווב והיכולת הנלווית למדוד אור העובר באטמוספרות של כוכבי לכת, עשויות להסביר את נפיחותם של עשרות כוכבי לכת אקסופלנטים בצפיפות נמוכה, ולסייע בפתרון תעלומה ארוכת שנים במדעי האקסו-כוכבים.
הבעיה עם WASP-107 ב
ביותר משלושה רבעים נפח של צדק אבל פחות מעשירית מהמסה, ה"חם נפטון" כוכב הלכת WASP-107 b הוא אחד מכוכבי הלכת הכי פחות צפופים הידועים. בעוד שכוכבי לכת נפוחים אינם נדירים, רובם חמים ומסיביים יותר, ולכן קלים יותר להסבר.
"בהתבסס על הרדיוס, המסה, הגיל והטמפרטורה הפנימית המשוערת שלו, חשבנו של-WASP-107 b יש ליבה קטנה מאוד וסלעית המוקפת במסה עצומה של מימן והליום", הסביר לואיס וולבנקס מאוניברסיטת אריזונה סטייט (ASU). מחבר ראשי על מאמר שפורסם ב-20 במאי בכתב העת טֶבַע. "אבל היה קשה להבין איך ליבה קטנה כל כך יכולה לסחוף כל כך הרבה גז, ואז להפסיק לצמוח במלואה לכוכב לכת בעל מסה צדק".
ספקטרום השידור הזה, שנלכד באמצעות טלסקופי החלל האבל וג'יימס ווב של נאס"א, מציג את הכמויות של אורכי גל (צבעים) שונים של אור כוכבים שנחסמו על ידי האטמוספירה של כוכב הלכת האקסו-גז ענק WASP-107 b.
הספקטרום כולל אור שנאסף על פני חמש תצפיות נפרדות תוך שימוש בסך הכל של שלושה מכשירים שונים: WFC3 של האבל (0.8-1.6 מיקרון), NIRCam של Webb (2.4-4.0 מיקרון ו-3.9-5.0 מיקרון), ו-MIRI של ווב (5-12 מיקרון). כל קבוצת מדידות נעשתה על ידי התבוננות במערכת כוכבי הלכת במשך כ-10 שעות לפני, במהלך ואחרי המעבר בזמן שכוכב הלכת נע על פני הכוכב.
על ידי השוואת בהירות האור המסונן דרך האטמוספירה של כוכב הלכת (אור משודר) לאור כוכבים לא מסונן, ניתן לחשב את כמות כל אורך גל שנחסם על ידי האטמוספירה. מכיוון שכל מולקולה סופגת שילוב ייחודי של אורכי גל, ניתן להשתמש בספקטרום ההולכה כדי להגביל את השפע של גזים שונים.
ספקטרום זה מראה עדויות ברורות למים (H2O), פחמן דו חמצני (CO2), פחמן חד חמצני (CO), מתאן (CH4), דו תחמוצת הגופרית (SO2) ואמוניה (NH3) באטמוספירה של כדור הארץ, מה שמאפשר לחוקרים להעריך את הפנים טמפרטורה ומסה של הליבה.
כיסוי אורך גל זה מאופטי עד אינפרא אדום בינוני הוא הרחב ביותר בכל ספקטרום השידור של כוכבי לכת עד כה, וכולל את הזיהוי הראשון של טלסקופ החלל המדווח של אמוניה באטמוספירה של כוכבי לכת.
קרדיט: נאס"א, ESA, CSA, ראלף קרופורד (STScI), לואיס ולבנקס (ASU), צוות JWST MANATEE
אם ל-WASP-107 b במקום זאת יש יותר מהמסה שלו בליבה, האטמוספירה הייתה צריכה להתכווץ כשהכוכב התקרר עם הזמן מאז היווצרותו. ללא מקור חום כדי להרחיב מחדש את הגז, כוכב הלכת צריך להיות קטן בהרבה. למרות של-WASP-107 b יש מרחק מסלול של 5 מיליון מייל בלבד (שביעית מהמרחק בין מרקורי לשמש), הוא אינו מקבל מספיק אנרגיה מהכוכב שלו כדי להיות מנופח כל כך.
"WASP-107 b הוא מטרה כל כך מעניינת עבור ווב מכיוון שהוא קריר יותר ודומה יותר לנפטון במסה מאשר רבים מכוכבי הלכת האחרים בצפיפות נמוכה, כוכבי הלכת החמים, שחקרנו", אמר דיוויד סינג מהג'ונס. אוניברסיטת הופקינס (JHU), מחבר ראשי במחקר מקביל שפורסם גם היום ב טֶבַע. "כתוצאה מכך, אנחנו אמורים להיות מסוגלים לזהות מתאן ומולקולות אחרות שיכולות לתת לנו מידע על הכימיה והדינמיקה הפנימית שלו שאיננו יכולים לקבל מכוכב לכת חם יותר."
שפע של מולקולות שלא ניתן היה לזהות בעבר
הרדיוס הענק של WASP-107 b, האטמוספירה המורחבת ומסלול הקצה הופכים אותו לאידיאלי עבור ספקטרוסקופיה של שידור, שיטה המשמשת לזיהוי הגזים השונים באטמוספירה של כוכבי לכת על סמך האופן שבו הם משפיעים על אור הכוכבים.
בשילוב תצפיות מ-NIRCam של Webb (מצלמה אינפרא-אדום קרוב), MIRI של Webb (אמצעי אינפרא-אדום), ו-WFC3 של Hubble (מצלמת שדה רחב 3), הצוות של Welbanks הצליח לבנות ספקטרום רחב של אור נספג בין 0.8 ל-12.2 מיקרון. על ידי האווירה של WASP-107 b. באמצעות NIRSpec (ספקטרוגרף אינפרא אדום קרוב) של Webb, הצוות של סינג בנה ספקטרום עצמאי המכסה 2.7 עד 5.2 מיקרון.
הדיוק של הנתונים מאפשר לא רק לזהות, אלא למעשה למדוד את השפע של שפע של מולקולות, כולל אדי מים (H2O), מתאן (CH4), פחמן דו חמצני (CO2), פחמן חד חמצני (CO), דו תחמוצת הגופרית (SO2), ואמוניה (NH3).
ספקטרום השידור הזה, שנלכד באמצעות NIRSpec (ספקטרוגרף אינפרא אדום קרוב) של Webb מראה את כמויות אורכי הגל (צבעים) שונים של אור כוכבים קרוב לאינפרא אדום שנחסם על ידי האטמוספירה של כוכב הלכת האקסו-ענק ענק הגז WASP-107 b.
הספקטרום נוצר על ידי התבוננות במערכת כוכבי הלכת במשך כ-8.5 שעות לפני, במהלך ואחרי המעבר בזמן שכוכב הלכת נע על פני הכוכב.
על ידי השוואת בהירות האור המסונן דרך האטמוספירה של כוכב הלכת (אור משודר) לאור כוכבים לא מסונן, ניתן לחשב את כמות כל אורך גל שנחסם על ידי האטמוספירה. מכיוון שכל מולקולה סופגת שילוב ייחודי של אורכי גל, ניתן להשתמש בספקטרום ההולכה כדי להגביל את השפע של גזים שונים.
ספקטרום זה מראה עדויות ברורות למים (H2O), פחמן דו חמצני (CO2), פחמן חד חמצני (CO), מתאן (CH4) וגופרית דו חמצנית (SO2) באטמוספירה של כוכב הלכת, מה שמאפשר לחוקרים להעריך את הטמפרטורה והמסה הפנימית של כדור הארץ. הליבה.
קרדיט: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI), David Sing (JHU), NIRSpec GTO Transiting Exoplanet Team
גז מתגלגל, פנים חם וליבה מסיבית
שתי הספקטרום מראות חוסר מפתיע במתאן באטמוספירה של WASP-107 b: אלפית מהכמות הצפויה בהתבסס על הטמפרטורה המשוערת שלו.
"זו עדות לכך שגז חם מעומק כדור הארץ חייב להתערבב בעוצמה עם השכבות הקרירות יותר גבוה יותר", הסביר סינג. "מתאן אינו יציב בטמפרטורות גבוהות. העובדה שגילינו כל כך מעט, למרות שזיהינו מולקולות נושאות פחמן אחרות, אומרת לנו שחלקו הפנימי של כדור הארץ חייב להיות חם משמעותית ממה שחשבנו".
מקור סביר לאנרגיה הפנימית הנוספת של WASP-107 b הוא חימום גאות ושפל הנגרם על ידי מסלולו המעט אליפטי. כשהמרחק בין הכוכב לכוכב הלכת משתנה ברציפות במהלך מסלול של 5.7 ימים, גם משיכה הכבידה משתנה, מותחת את כוכב הלכת ומחממת אותו.
חוקרים הציעו בעבר שחימום הגאות והשפל יכול להיות הגורם לנפיחות של WASP-107 b, אבל עד שהתוצאות של Webb הגיעו, לא היו ראיות.
ברגע שהם קבעו כי לכוכב הלכת יש מספיק חום פנימי כדי לטרוף את האטמוספירה ביסודיות, הצוותים הבינו שהספקטרום יכול לספק גם דרך חדשה להעריך את גודל הליבה.
"אם אנחנו יודעים כמה אנרגיה יש בכוכב הלכת, ואנחנו יודעים באיזה חלק מכוכב הלכת יש יסודות כבדים יותר כמו פחמן, חנקן, חמצן וגופרית, לעומת כמה זה מימן והליום, נוכל לחשב כמה מסה חייבת להיות ב הליבה", הסביר דניאל תורנגרן מ-JHU.
מסתבר שהליבה מסיבית לפחות פי שניים מההערכה המקורית, וזה הגיוני יותר מבחינת אופן היווצרות כוכבי לכת.
בסך הכל, WASP-107 b אינו מסתורי כמו שהוא נראה פעם.
"נתוני Webb מספרים לנו שכוכבי לכת כמו WASP-107 b לא היו צריכים להיווצר בצורה מוזרה עם ליבה סופר קטנה ומעטפת ענקית עם גזים", הסביר מייק ליין מ-ASU. "במקום זאת, אנחנו יכולים לקחת משהו יותר כמו נפטון, עם הרבה סלע ולא כל כך הרבה גז, פשוט להגביר את הטמפרטורה, ולהרים את זה כדי להיראות כמו שהוא נראה."
ה טלסקופ החלל ג'יימס ווב הוא מצפה מדעי החלל המוביל בעולם. ווב פותר תעלומות במערכת השמש שלנו, מסתכל מעבר לעולמות רחוקים סביב כוכבים אחרים, וחוקר את המבנים והמקורות המסתוריים של היקום שלנו ומקומנו בו. Webb היא תוכנית בינלאומית בהובלת נאס"א עם שותפיה, ESA (סוכנות החלל האירופית) ו-CSA (סוכנות החלל הקנדית).
