Zaskakująco niska ilość metanu i ogromne jądro kryją się na planecie przypominającej watę cukrową WASP-107 b.
Odkrycia, oparte na danych uzyskanych przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, stanowią pierwsze pomiary masy rdzenia egzoplanety i prawdopodobnie posłużą jako podstawa przyszłych badań atmosfer i wnętrz planet, co jest kluczowym aspektem w poszukiwaniu nadających się do zamieszkania światów poza naszym Układem Słonecznym.
„Zaglądanie do wnętrza planety oddalonej o setki lat świetlnych wydaje się prawie niemożliwe, ale gdy znasz masę, promień, skład atmosfery i temperaturę jej wnętrza, masz wszystkie elementy potrzebne do wyobrażenia sobie o niej co jest w środku i jak ciężkie jest to jądro” – powiedział główny autor David Sing, wybitny profesor nauk o Ziemi i planetach Bloomberg na Uniwersytecie Johna Hopkinsa. „To jest teraz coś, co możemy zrobić dla wielu różnych planet gazowych w różnych układach”.
Wyniki badań opublikowane dzisiaj w Nature pokazują, że planeta zawiera tysiąc razy mniej metanu niż oczekiwano, a jądro 12 razy masywniejsze od ziemskiego.
WASP-107 b, gigantyczna planeta otoczona palącą atmosferą puszystą jak bawełna, krąży wokół gwiazdy oddalonej o około 200 lat świetlnych. Jest puszysty ze względu na swoją budowę: świat wielkości Jowisza i mający zaledwie jedną dziesiątą masy tej planety.
Mimo że zawiera metan – podstawowy budulec życia na Ziemi – planeta nie jest uważana za nadającą się do zamieszkania ze względu na bliskość swojej gwiazdy macierzystej i brak stałej powierzchni. Może jednak zawierać ważne wskazówki na temat późnego etapu ewolucji planet.
W odrębnym badaniu opublikowanym dzisiaj w Nature inni naukowcy również zaobserwowali metan za pomocą teleskopu Webba i przedstawili podobne spostrzeżenia na temat wielkości i gęstości planety.
„Chcemy przyjrzeć się planetom bardziej podobnym do gazowych gigantów w naszym Układzie Słonecznym, które mają dużo metanu w swoich atmosferach” – powiedział Sing. „W tym miejscu historia WASP-107 b stała się naprawdę interesująca, ponieważ nie wiedzieliśmy, dlaczego poziom metanu jest tak niski”.
Nowe pomiary metanu sugerują, że cząsteczka przekształca się w inne związki, gdy wypływa z wnętrza planety w górę, wchodząc w interakcję z mieszaniną innych substancji chemicznych i światłem gwiazd w górnych warstwach atmosfery. Zespół zmierzył także dwutlenek siarki, parę wodną, dwutlenek węgla i tlenek węgla i odkrył, że WASP-107 b zawiera więcej ciężkich pierwiastków niż Uran i Neptun.
Profil chemii planety zaczyna odkrywać kluczowe elementy układanki dotyczącej zachowania atmosfer planet w ekstremalnych warunkach, powiedział Sing. Jego zespół będzie prowadził podobne obserwacje w ciągu przyszłego roku na dodatkowych 25 planetach za pomocą teleskopu Webba.
„Nigdy nie byliśmy w stanie szczegółowo zbadać tego procesu mieszania w atmosferze egzoplanety, więc znacznie ułatwi to zrozumienie, jak działają te dynamiczne reakcje chemiczne” – powiedział Sing. „To coś, czego zdecydowanie potrzebujemy, gdy zaczynamy przyglądać się planetom skalistym i sygnaturom biomarkerów”.
Naukowcy spekulowali, że zbyt duży promień planety wynika z wewnętrznego źródła ciepła, powiedział Zafar Rustamkulov, doktorant planetologii Johnsa Hopkinsa, który współkierował badaniami. Łącząc modele atmosfery i fizyki wnętrz z danymi Webba dotyczącymi WASP-107 b, zespół wyjaśnił, w jaki sposób termodynamika planety wpływa na jej obserwowalną atmosferę.
„Planeta ma gorące jądro, a to źródło ciepła zmienia skład chemiczny gazów znajdujących się głębiej, ale powoduje także silne mieszanie konwekcyjne wydobywające się z wnętrza” – powiedział Rustamkulov. „Uważamy, że to ciepło powoduje zmianę składu chemicznego gazów, w szczególności niszczenie metanu i wytwarzanie zwiększonych ilości dwutlenku i tlenku węgla”.
Nowe odkrycia stanowią także najwyraźniejszy związek, jaki udało się naukowcom ustalić na temat wnętrza egzoplanety i górnej części jej atmosfery, powiedział Rustamkulov. W zeszłym roku teleskop Webba wykrył dwutlenek siarki w odległości około 700 lat świetlnych od nas na innej egzoplanecie zwanej WASP-39, dostarczając pierwszego dowodu na istnienie związku atmosferycznego powstającego w wyniku reakcji napędzanych światłem gwiazd.
Zespół Johnsa Hopkinsa koncentruje się obecnie na czynnikach utrzymujących temperaturę jądra i spodziewa się, że w grę mogą wchodzić siły podobne do tych powodujących przypływy i odpływy w ziemskich oceanach. Planują sprawdzić, czy planeta jest rozciągana i ciągnięta przez swoją gwiazdę oraz w jaki sposób może to wyjaśniać wysoką temperaturę jądra.
Inni autorzy badania to Daniel P. Thorngren i Elena Manjavacas z Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa; Joanna K. Barstow z Uniwersytetu Otwartego; Pascal Tremblin z Uniwersytetu Paris-Saclay; Catarina Alves de Oliveira, Stephan M. Birkmann i Pierre Ferruit z Europejskiej Agencji Kosmicznej; Tracy L. Beck, Nestor Espinoza, Amelie Gressier, Marco Sirianni i Jeff A. Valenti z Instytutu Naukowego Teleskopu Kosmicznego; Ryan C. Challener z Uniwersytetu Cornell; Nicolas Crouzet, Giovanna Giardino i Nicole K. Lewis z Uniwersytetu w Lejdzie; Elspeth KH Lee; Roberto Maiolino z Uniwersytetu Cambridge; i Bernard J. Rauscher z Centrum Lotów Kosmicznych NASA Goddard.
Badania te opierają się na danych uzyskanych z Instytutu Naukowego Teleskopu Kosmicznego, obsługiwanego przez Association of Universities for Research in Astronomy Inc., na mocy kontraktu NASA NAS 5-03127.