Zespół europejskich astronomów, kierowany przez naukowców z Instytutu Astronomii KU Leuven, wykorzystał najnowsze obserwacje wykonane za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba do zbadania atmosfery pobliskiej egzoplanety WASP-107b. Zaglądając głęboko w puszystą atmosferę WASP-107b, odkryli nie tylko parę wodną i dwutlenek siarki, ale nawet chmury piasku krzemianowego. Cząstki te znajdują się w dynamicznej atmosferze, która charakteryzuje się energicznym transportem materiału.
Astronomowie na całym świecie wykorzystują zaawansowane możliwości instrumentu średniej podczerwieni (MIRI) znajdującego się na pokładzie Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST) do prowadzenia przełomowych obserwacji egzoplanet – planet krążących wokół gwiazd innych niż nasze Słońce. Jednym z tych fascynujących światów jest WASP-107b, wyjątkowa gazowa egzoplaneta krążąca wokół gwiazdy nieco chłodniejszej i mniej masywnej niż nasze Słońce. Masa planety jest podobna do masy Neptuna, ale jej rozmiar jest znacznie większy niż Neptuna, prawie zbliżony do wielkości Jowisza. Ta cecha sprawia, że WASP-107b jest raczej „puszysta” w porównaniu z gazowymi olbrzymami w naszym Układzie Słonecznym. Puszystość tej egzoplanety pozwala astronomom zajrzeć w jej atmosferę mniej więcej 50 razy głębiej w porównaniu z głębokością eksploracji osiągniętą w przypadku giganta Układu Słonecznego, takiego jak Jowisz.
Zespół europejskich astronomów w pełni wykorzystał niezwykłą puszystość tej egzoplanety, umożliwiając mu wejrzenie w głąb jej atmosfery. Ta szansa otworzyła okno na odkrycie złożonego składu chemicznego atmosfery. Powód tego jest całkiem prosty: sygnały, czyli cechy widmowe, są znacznie bardziej widoczne w mniej gęstej atmosferze w porównaniu z bardziej zwartą. Ich ostatnie badanie, opublikowane obecnie w Nature, ujawnia obecność pary wodnej, dwutlenku siarki (SO2) i chmur krzemianów, ale co istotne, nie ma śladu metanu będącego gazem cieplarnianym (CH4).
Dynamiczna atmosfera
Odkrycia te dostarczają kluczowych informacji na temat dynamiki i składu chemicznego tej urzekającej egzoplanety. Po pierwsze, brak metanu wskazuje na potencjalnie ciepłe wnętrze, co daje kuszący wgląd w ruch energii cieplnej w atmosferze planety. Po drugie, dużym zaskoczeniem było odkrycie dwutlenku siarki (znanego z zapachu spalonych zapałek). Poprzednie modele przewidywały jego brak, ale nowe modele klimatyczne atmosfery WASP-107b pokazują teraz, że sama puszystość WASP-107b sprzyja tworzeniu się dwutlenku siarki w jej atmosferze. Mimo że gwiazda macierzysta ze względu na chłodniejszą naturę emituje stosunkowo niewielką część wysokoenergetycznych fotonów, fotony te mogą dotrzeć w głąb atmosfery planety dzięki jej puszystej naturze. Umożliwia to zajście reakcji chemicznych niezbędnych do wytworzenia dwutlenku siarki.
Ale to nie wszystko, co zaobserwowali. Zarówno właściwości widmowe dwutlenku siarki, jak i pary wodnej są znacznie zmniejszone w porównaniu z tym, jakie byłyby w scenariuszu bezchmurnym. Chmury wysokogórskie częściowo przesłaniają parę wodną i dwutlenek siarki w atmosferze. Chociaż przypuszcza się, że chmury istnieją na innych egzoplanetach, jest to pierwszy przypadek, w którym astronomowie mogą ostatecznie określić skład chemiczny tych obłoków. W tym przypadku chmury składają się z małych cząstek krzemianu, substancji znanej ludziom, występującej w wielu częściach świata jako główny składnik piasku.
„JWST rewolucjonizuje charakterystykę egzoplanet, dostarczając niespotykanych dotąd informacji z niezwykłą szybkością” – mówi główna autorka, prof. Leen Decin z KU Leuven. „Odkrycie chmur piasku, wody i dwutlenku siarki na tej puszystej egzoplanecie przez instrument MIRI należący do JWST to kluczowy kamień milowy. Zmienia nasze rozumienie powstawania i ewolucji planet, rzucając nowe światło na nasz Układ Słoneczny”.
W przeciwieństwie do atmosfery ziemskiej, gdzie woda zamarza w niskich temperaturach, na planetach gazowych osiągających temperatury około 1000 stopni Celsjusza, cząstki krzemianów mogą zamarzać, tworząc chmury. Jednak w przypadku WASP-107b, którego temperatura w atmosferze zewnętrznej wynosi około 500 stopni Celsjusza, tradycyjne modele przewidywały, że chmury krzemianowe powinny tworzyć się głębiej w atmosferze, gdzie temperatury są znacznie wyższe. Ponadto chmury piasku znajdujące się wysoko w atmosferze wytrącają się z opadów. Jak to więc możliwe, że te chmury piasku istnieją na dużych wysokościach i nadal się utrzymują?
Według głównego autora, dr Michiela Mina: „Fakt, że widzimy te chmury piasku wysoko w atmosferze, musi oznaczać, że kropelki deszczu piaskowego odparowują w głębszych, bardzo gorących warstwach, a powstałe pary krzemianów są skutecznie przenoszone z powrotem do góry, gdzie ponownie kondensują, tworząc chmury krzemianowe. Jest to bardzo podobne do cyklu pary wodnej i chmur na naszej Ziemi, ale z kropelkami utworzonymi z piasku.” Ten ciągły cykl sublimacji i kondensacji w wyniku transportu pionowego jest odpowiedzialny za trwałą obecność chmur piasku w atmosferze WASP-107b.
Te pionierskie badania nie tylko rzucają światło na egzotyczny świat WASP-107b, ale także przesuwają granice naszego zrozumienia atmosfer egzoplanetarnych. Stanowi znaczący kamień milowy w badaniach egzoplanetarnych, ujawniając zawiłe wzajemne oddziaływanie substancji chemicznych i warunków klimatycznych tych odległych światów.
„JWST umożliwia głęboką charakterystykę atmosfery egzoplanety, która nie ma żadnego odpowiednika w naszym Układzie Słonecznym. Odkrywamy nowe światy!”, mówi główna autorka dr Achrène Dyrek z CEA Paris.
Projektowanie i rozwój instrumentu MIRI
Dzięki finansowaniu przez belgijskie federalne biuro polityki naukowej BELSPO za pośrednictwem programu ESA PRODEX belgijscy inżynierowie i naukowcy odegrali kluczową rolę w projektowaniu i rozwoju instrumentu MIRI, w tym Centre Spatial de Liege (CSL), Thales Alenia Space (Charleroi ) i systemy czujników OIP (Oudenaarde). W Instytucie Astronomii KU Leuven naukowcy zajmujący się instrumentem dokładnie przetestowali instrument MIRI w specjalnych komorach testowych symulujących środowisko kosmiczne w laboratoriach w Wielkiej Brytanii, w ośrodkach kosmicznych NASA Goddard i NASA Johnson.
„Wraz z kolegami z Europy i Stanów Zjednoczonych budujemy i testujemy instrument MIRI od prawie 20 lat. To satysfakcjonujące widzieć, jak nasz instrument odkrywa atmosferę tej intrygującej egzoplanety” – mówi specjalista ds. instrumentów dr Bart Vandenbussche z KU Leuven.
Badanie to łączy wyniki kilku niezależnych analiz obserwacji JWST i odzwierciedla lata pracy włożonej nie tylko w budowę instrumentu MIRI, ale także w narzędzia do kalibracji i analizy danych obserwacyjnych uzyskanych za pomocą MIRI” – mówi dr Jeroen Bouwman z Max-Planck-Institut fur Astronomie w Niemczech.
Więcej informacji
Obserwacje te wykonano w ramach programu obserwacji w czasie gwarantowanym 1280. Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba jest najważniejszym na świecie obserwatorium nauk o przestrzeni kosmicznej. Webb rozwiązuje tajemnice naszego Układu Słonecznego, spoglądając dalej, na odległe światy wokół innych gwiazd i badając tajemnicze struktury i pochodzenie naszego wszechświata oraz nasze w nim miejsce. Webb to międzynarodowy program prowadzony przez NASA wraz z partnerami, ESA (Europejską Agencją Kosmiczną) i Kanadyjską Agencją Kosmiczną. Europejski zespół konsorcjum składa się z 46 astronomów z 29 instytucji badawczych z 12 krajów. Z KU Leuven w skład zespołu wchodzą Leen Decin, Thomas Konings, Bart Vandenbussche, Ioannis Argyriou i Linus Heinke.