Webb Uzay Teleskobu, Kabarık “Mikrodalgada Marshmallow” Ötegezegenin Vakasını Çatlattı

Şaşırtıcı bir metan eksikliği, gelgit ısınmasının sıcak gaz devi WASP-107 b’nin atmosferini şişirdiğini gösteriyor.

Sıcak gaz devi neden dış gezegen WASP-107 b çok mu kabarık? Mikrodalgada pişirilen marshmallow ile eşdeğer düzeydeki orta sıcaklık ve ultra düşük yoğunluk ile gezegen oluşumu ve evrimine ilişkin standart teorilere meydan okuyor gibi görünüyor.

İki bağımsız araştırmacı ekibi bunu çözdüklerini düşünüyor. Webb’den gelen veriler, Hubble’ın önceki gözlemleriyle birleştiğinde, WASP-107 b’nin iç kısmının önceden tahmin edilenden çok daha kızarmış olması gerektiğini gösteriyor. Gezegeni aptalca bir macun gibi geren gelgit kuvvetlerinden kaynaklandığı düşünülen beklenmedik derecede yüksek sıcaklık, WASP-107 b gibi gezegenlerin nasıl bu kadar yumuşak olabileceğini ve muhtemelen dış gezegen biliminde uzun süredir devam eden bir gizemi çözebileceğini açıklayabilir.

Bu sanatçının konsepti, NASA’nın James Webb Uzay Teleskobu tarafından toplanan son verilere ve Hubble ile diğer uzay ve yer tabanlı teleskoplardan yapılan önceki gözlemlere dayanarak, ötegezegen WASP-107 b’nin neye benzeyebileceğini gösteriyor. WASP-107 b, Başak takımyıldızında, Dünya’dan yaklaşık 210 ışıkyılı uzaklıkta, nispeten küçük ve soğuk bir yıldızın etrafında dönen bir “sıcak Neptün” ötegezegenidir. Gezegen, hacim açısından Jüpiter’in yaklaşık %80’i kadardır, ancak Jüpiter’in %10’undan daha az bir kütleye sahiptir, bu da onu bilinen en az yoğun dış gezegenlerden biri yapar. Katkıda bulunanlar: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI)

Webb Uzay Teleskobu Şişmiş Ötegezegen Vakasını Çatlattı

Sıcak gaz devi ötegezegen WASP-107 b neden bu kadar şişkin? Artık iki bağımsız araştırma ekibinin bir cevabı var.

NASA’nın James Webb Uzay Teleskobu kullanılarak toplanan veriler, NASA’nın Hubble Uzay Teleskobu’ndan yapılan önceki gözlemlerle birleştirildiğinde şaşırtıcı derecede az metan gazı (CH) ortaya çıkıyor₄) gezegenin atmosferinde. Bu, WASP-107 b’nin iç kısmının önceden tahmin edilenden önemli ölçüde daha sıcak ve çekirdeğin çok daha büyük olması gerektiğini gösteriyor.

Beklenmedik derecede yüksek sıcaklığın, gezegenin dairesel olmayan yörüngesinden kaynaklanan gelgit ısınmasının bir sonucu olduğu düşünülüyor ve WASP-107 b’nin nasıl oluştuğuna dair aşırı teorilere başvurmadan nasıl bu kadar şişirilebildiğini açıklayabiliyor.

Webb’in olağanüstü hassasiyeti ve buna eşlik eden dış gezegen atmosferlerinden geçen ışığı ölçme yeteneği sayesinde mümkün olan sonuçlar, düzinelerce düşük yoğunluklu dış gezegenin şişkinliğini açıklayabilir ve dış gezegen biliminde uzun süredir devam eden bir gizemin çözülmesine yardımcı olabilir.

WASP-107b Sorunu

Hacmin dörtte üçünden fazlası Jüpiter ancak kütlenin onda birinden daha azı olan “sıcak Neptün” ötegezegen WASP-107 b bilinen en az yoğun gezegenlerden biridir. Kabarık gezegenler nadir olmasa da çoğu daha sıcak ve daha büyüktür ve bu nedenle açıklanması daha kolaydır.

Arizona Eyalet Üniversitesi’nden (ASU) Luis Welbanks, “Yarıçapına, kütlesine, yaşına ve varsayılan iç sıcaklığına dayanarak, WASP-107 b’nin devasa bir hidrojen ve helyum kütlesiyle çevrelenmiş çok küçük, kayalık bir çekirdeğe sahip olduğunu düşündük” diye açıkladı. 20 Mayıs’ta dergide yayınlanan bir makalenin baş yazarı Doğa. “Fakat bu kadar küçük bir çekirdeğin nasıl bu kadar çok gazı süpürdüğünü ve daha sonra tamamen Jüpiter kütleli bir gezegene dönüşmeyi durdurduğunu anlamak zordu.”

NASA’nın Hubble ve James Webb uzay teleskopları kullanılarak yakalanan bu iletim spektrumu, gaz devi ötegezegen WASP-107 b’nin atmosferi tarafından engellenen yıldız ışığının farklı dalga boylarındaki (renklerindeki) miktarlarını göstermektedir.
Spektrum, toplam üç farklı cihaz kullanılarak beş ayrı gözlem üzerinden toplanan ışığı içerir: Hubble’ın WFC3’ü (0,8–1,6 mikron), Webb’in NIRCam’i (2,4–4,0 mikron ve 3,9–5,0 mikron) ve Webb’in MIRI’si (5–12 mikron). Her bir ölçüm seti, gezegen yıldızın yüzü boyunca hareket ederken, geçişten önce, geçiş sırasında ve geçişten sonra yaklaşık 10 saat boyunca gezegen-yıldız sistemi gözlemlenerek yapıldı.
Gezegenin atmosferinden filtrelenen ışığın parlaklığını (iletilen ışık) filtrelenmemiş yıldız ışığıyla karşılaştırarak, atmosfer tarafından engellenen her dalga boyunun miktarını hesaplamak mümkündür. Her molekül benzersiz bir dalga boyu kombinasyonunu emdiğinden, iletim spektrumu çeşitli gazların bolluğunu sınırlamak için kullanılabilir.
Bu spektrum, gezegenin atmosferindeki su (H2O), karbondioksit (CO2), karbon monoksit (CO), metan (CH4), kükürt dioksit (SO2) ve amonyak (NH3) için açık kanıtlar göstererek araştırmacıların gezegenin iç kısmını tahmin etmesine olanak tanıyor. çekirdeğin sıcaklığı ve kütlesi.
Optikten orta kızılötesine kadar olan bu dalga boyu kapsamı, bugüne kadar herhangi bir ötegezegenin iletim spektrumu arasında en geniş olanıdır ve bir ötegezegenin atmosferinde amonyağın uzay teleskopuyla rapor edilen ilk tespitini içerir.
Katkı Sağlayanlar: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI), Luis Welbanks (ASU), JWST MANATEE Ekibi

Eğer WASP-107 b’nin kütlesi çekirdekte daha fazlaysa, gezegen oluştuğundan bu yana zamanla soğuduğundan atmosfer daralmış olmalı. Gazı yeniden genişletecek bir ısı kaynağı olmadığında gezegenin çok daha küçük olması gerekir. WASP-107 b’nin yörünge mesafesi yalnızca 5 milyon mil (Merkür ile Güneş arasındaki mesafenin yedide biri) olmasına rağmen, yıldızından bu kadar şişecek kadar enerji almıyor.

Johns’tan David Sing, “WASP-107 b, Webb için çok ilginç bir hedef çünkü üzerinde çalıştığımız diğer düşük yoğunluklu gezegenlerin (sıcak Jüpiterler) çoğundan çok daha soğuk ve kütle olarak Neptün’e daha çok benziyor” dedi. Hopkins Üniversitesi (JHU), başyazar paralel çalışma ayrıca bugün yayınlandı Doğa. “Sonuç olarak, metanın kimyası ve iç dinamikleri hakkında bize daha sıcak bir gezegenden alamadığımız bilgiler verebilecek metan ve diğer molekülleri tespit edebilmeliyiz.”

Daha Önce Saptanamayan Molekül Zenginliği

WASP-107 b’nin dev yarıçapı, geniş atmosferi ve uçtan uca yörüngesi, onu yıldız ışığını nasıl etkilediklerine dayalı olarak dış gezegen atmosferindeki çeşitli gazları tanımlamak için kullanılan bir yöntem olan iletim spektroskopisi için ideal kılmaktadır.

Webb’in NIRCam’i (Yakın Kızılötesi Kamera), Webb’in MIRI’si (Orta Kızılötesi Cihaz) ve Hubble’ın WFC3’ünden (Geniş Alan Kamerası 3) elde edilen gözlemleri birleştiren Welbanks ekibi, 0,8 ila 12,2 mikronluk ışık absorbe eden geniş bir spektrum oluşturmayı başardı. WASP-107 b’nin atmosferi tarafından. Sing’in ekibi, Webb’in NIRSpec’ini (Yakın Kızılötesi Spektrograf) kullanarak 2,7 ila 5,2 mikronu kapsayan bağımsız bir spektrum oluşturdu.

Verilerin kesinliği, su buharı (H) dahil olmak üzere çok sayıda molekülün sadece tespit edilmesini değil, aynı zamanda bolluğunun gerçekten ölçülmesini de mümkün kılar.₂O), metan (CH₄), karbondioksit (CO₂), karbon monoksit (CO), kükürt dioksit (SO₂) ve amonyak (NH₃).

Webb’in NIRSpec (Yakın Kızılötesi Spektrografı) kullanılarak yakalanan bu iletim spektrumu, gaz devi ötegezegen WASP-107 b’nin atmosferi tarafından engellenen yakın kızılötesi yıldız ışığının farklı dalga boylarının (renklerinin) miktarlarını gösterir.
Spektrum, gezegen yıldızın yüzü boyunca hareket ederken, geçişten önce, geçiş sırasında ve sonrasında gezegen-yıldız sisteminin yaklaşık 8,5 saat gözlemlenmesiyle oluşturuldu.
Gezegenin atmosferinden filtrelenen ışığın parlaklığını (iletilen ışık) filtrelenmemiş yıldız ışığıyla karşılaştırarak, atmosfer tarafından engellenen her dalga boyunun miktarını hesaplamak mümkündür. Her molekül benzersiz bir dalga boyu kombinasyonunu emdiğinden, iletim spektrumu çeşitli gazların bolluğunu sınırlamak için kullanılabilir.
Bu spektrum, gezegenin atmosferindeki su (H2O), karbondioksit (CO2), karbon monoksit (CO), metan (CH4) ve kükürt dioksit (SO2) için açık kanıtlar göstererek araştırmacıların gezegenin iç sıcaklığını ve kütlesini tahmin etmesine olanak tanıyor. çekirdek.
Katkıda bulunanlar: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI), David Sing (JHU), NIRSpec GTO Transiting Exoplanet Ekibi

Dönen Gaz, Sıcak İç Mekan ve Devasa Çekirdek

Her iki spektrum da WASP-107 b’nin atmosferinde şaşırtıcı bir metan eksikliği gösteriyor: varsayılan sıcaklığa bağlı olarak beklenen miktarın binde biri.

Sing, “Bu, gezegenin derinliklerinden gelen sıcak gazın daha yukarıdaki soğuk katmanlarla kuvvetli bir şekilde karışması gerektiğinin kanıtıdır” diye açıkladı. “Metan yüksek sıcaklıklarda kararsızdır. Diğer karbon taşıyan molekülleri tespit etmemize rağmen bu kadar az şey tespit etmiş olmamız, bize gezegenin iç kısmının düşündüğümüzden önemli ölçüde daha sıcak olması gerektiğini söylüyor.”

WASP-107 b’nin ekstra iç enerjisinin olası bir kaynağı, hafif eliptik yörüngesinden kaynaklanan gelgit ısınmasıdır. Yıldız ile gezegen arasındaki mesafe 5,7 günlük yörünge boyunca sürekli değişirken, yer çekimi de değişiyor, gezegeni geriyor ve ısıtıyor.

Araştırmacılar daha önce WASP-107 b’nin şişkinliğinin nedeninin gelgit ısınması olabileceğini öne sürmüştü ancak Webb sonuçları gelene kadar hiçbir kanıt yoktu.

Ekipler, gezegenin atmosferi tamamen karıştırmaya yetecek kadar iç ısıya sahip olduğunu belirledikten sonra spektrumların çekirdeğin boyutunu tahmin etmek için yeni bir yol sağlayabileceğini fark etti.

“Gezegende ne kadar enerji olduğunu bilirsek ve gezegenin ne kadarının karbon, nitrojen, oksijen ve kükürt gibi daha ağır elementlerden, ne kadarının hidrojen ve helyumdan oluştuğunu bilirsek, gezegenin ne kadar kütleye sahip olması gerektiğini hesaplayabiliriz. çekirdek,” diye açıkladı JHU’dan Daniel Thorngren.

Çekirdeğin başlangıçta tahmin edilenden en az iki kat daha büyük olduğu ortaya çıktı; bu da gezegenlerin nasıl oluştuğu açısından daha mantıklı.

WASP-107 b, bir zamanlar göründüğü kadar gizemli değil.

ASU’dan Mike Line, “Webb verileri bize WASP-107 b gibi gezegenlerin çok küçük bir çekirdek ve devasa bir gaz zarfıyla garip bir şekilde oluşması gerekmediğini söylüyor” diye açıkladı. “Bunun yerine, Neptün’e benzer, çok fazla kaya içeren ve çok fazla gaz içermeyen bir şeyi alabiliriz, sadece sıcaklığı ayarlayabiliriz ve onu olduğu gibi görünecek şekilde ayarlayabiliriz.”

Referans: Luis Welbanks, Taylor J. Bell, Thomas G. Beatty, Michael R. Line, Kazumasa Ohno, Jonathan J. Fortney, Everett Schlawin, Thomas P. Greene, Emily Rauscher, Peter McGill, Matthew Murphy, Vivien Parmentier, Yao Tang, Isaac Edelman, Sagnick Mukherjee, Lindsey S. Wiser, Pierre-Olivier Lagage, Achrène Dyrek ve Kenneth E. Arnold, 20 Mayıs 2024, Doğa.
DOI: 10.1038/s41586-024-07514-w

James Webb Uzay Teleskobu dünyanın önde gelen uzay bilimi gözlemevidir. Webb, güneş sistemimizdeki gizemleri çözüyor, diğer yıldızların etrafındaki uzak dünyalara bakıyor ve evrenimizin gizemli yapılarını ve kökenlerini ve onun içindeki yerimizi araştırıyor. Webb liderliğindeki uluslararası bir programdır. NASA ortakları ESA ile (Avrupa Uzay Ajansı) ve CSA (Kanada Uzay Ajansı).