Данные, собранные с помощью космического телескопа Джеймс Уэбб, в сочетании с более ранними наблюдениями Хаббла, показывают удивительно малое количество метана в атмосфере WASP-107 b. Это указывает на то, что недра планеты должно быть значительно горячее, а ядро ​​гораздо более массивно, чем предполагалось ранее. Почему же теплая экзопланета-газовый гигант WASP-107 b такая раздутая? У двух независимых групп исследователей есть ответ.

Считается, что неожиданно высокая температура является результатом приливного разогрева, вызванного слегка вытянутой орбитой планеты. Этот феномен может быть причиной, почему WASP-107 b настолько раздута.

Результаты, полученные благодаря необычайной способности Уэбба измерять свет, проходящий через атмосферу экзопланет, могут объяснить "пухлость" десятков экзопланет с низкой плотностью, помогая разгадать эту давнюю загадку.

Проблема с WASP-107 b

"Горячий нептун" WASP-107 b достигающий более трех четвертей объема Юпитера, но менее одной десятой его массы, является одной из наименее плотных известных планет. Хотя в целом подобные объекты не редкость, большинство из них более горячие и массивные, и поэтому их легче объяснить.

"Основываясь на радиусе, массе и возрасте, мы решили, что WASP-107 b имеет очень маленькое каменное ядро, окруженное огромной массой водорода и гелия, — объясняет Луис Уэлбанкс из Университета штата Аризона (ASU), ведущий автор исследования, опубликованного в журнале Nature. — Но было трудно понять, как такое маленькое ядро ​​могло поглотить так много газа, а затем не допустить полного превращения в планету массой с Юпитер".

Если бы вместо этого основная часть массы WASP-107 b находилась в ядре, атмосфера должна была бы сжаться из-за остывания планеты за время, прошедшее с момента ее формирования. Без источника тепла для повторного расширения газа она была бы намного меньше. Хотя WASP-107 b имеет орбитальное расстояние в семь раз меньше, чем между Меркурием и Солнцем, не получает достаточно энергии от своей звезды, чтобы настолько раздуться.

"WASP-107 b — интересная цель для Уэбба, потому что она значительно холоднее и больше похожа на Нептун по массе, чем многие другие планеты с низкой плотностью, которые мы изучали, — говорит Дэвид Синг из Университета Джонса Хопкинса (JHU), ведущий автор параллельного исследования, также опубликованного в журнале Nature. — В результате мы сможем обнаруживать метан и другие молекулы. Они могут дать нам информацию о химии и внутренней динамике, которую мы не можем получить с более горячей планеты".

Множество ранее не обнаруживаемых молекул

Гигантский радиус WASP-107 b, раздутая атмосфера и орбита, видимая с ребра, делают ее идеальным для трансмиссионной спектроскопии. С помощью этого метода можно идентифицировать различные газы в атмосфере экзопланеты на основе того, как они влияют на звездный свет.

Объединив наблюдения NIRCam (камера ближнего инфракрасного диапазона) и MIRI (прибор среднего инфракрасного диапазона) Уэбба, а также WFC3 Хаббла (широкоугольная камера 3), команда Уэлбанкса смогла построить широкий спектр света от 0,8 до 12,2 микрона, поглощаемого атмосферой WASP-107 b. Используя NIRSpec Уэбба (ближний инфракрасный спектрограф), команда Синга построила независимый спектр, охватывающий диапазон от 2,7 до 5,2 микрона.

Поразительная точность данных позволяет не просто обнаруживать, но и фактически измерять содержание множества молекул, включая водяной пар (H₂O), метан (CH₄), углекислый газ (CO₂), окись углерода (CO), диоксид серы (SO₂) и аммиак (NH₃).

"С помощью спектроскопии NIRSpec Уэбба мы получаем прямое представление о химии WASP-107 b, — говорит Стефан Биркманн из Европейского космического агентства и главный исследователь наблюдений NIRSpec. — Спектроскопия NIRSpec позволяет нам исследовать состав атмосферы планеты и прекрасно дополняет наблюдения MIRI и NIRCam".

Бурлящий газ, горячая внутренняя часть и массивное ядро

Оба спектра показывают удивительную нехватку метана в атмосфере WASP-107 b: одну тысячную от ожидаемого количества, исходя из предполагаемой температуры.

"Это свидетельство того, что горячий газ из глубин планеты должен энергично смешиваться с более холодными слоями выше, — объяснил Синг. — Метан нестабилен при высоких температурах. Тот факт, что мы обнаружили так мало, хотя и нашли другие молекулы, содержащие углерод, говорит о том, что внутри планеты должно быть значительно горячее, чем мы думали".

Вероятным источником дополнительной внутренней энергии WASP-107 b является приливной разогрев, вызванный слегка эллиптической орбитой. Поскольку расстояние между звездой и планетой постоянно меняется на протяжении 5,7-дневной орбиты, гравитационное притяжение также меняется, деформируя планету и нагревая ее.

Ранее исследователи предполагали, что это явление может быть причиной раздутости WASP-107 b, но до тех пор, пока не были получены результаты Уэбба, доказательств не было.

Как только команды ученых установили, что у планеты достаточно внутреннего тепла, чтобы полностью перемешивать атмосферу, они поняли, что спектры также могут предоставить новый способ оценить размер ядра.

"Если мы знаем, сколько энергии содержится на планете, и какую долю составляют более тяжелые элементы, такие как углерод, азот, кислород и сера, по сравнению с тем, сколько водорода и гелия, мы можем вычислить, какая масса должна быть в ядре", — объясняет Дэниел Торнгрен из JHU.

Оказывается, ядро ​​как минимум в два раза массивнее, чем первоначально предполагалось, что имеет больше смысла с точки зрения процесса формирования планет.

В целом оказывается, что WASP-107 b не так уж и загадочна, как казалось когда-то.

"Данные Уэбба говорят нам, что такие планеты, как WASP-107 b, не должны были формироваться каким-то странным образом со сверхмаленьким ядром и огромной газовой оболочкой, — объяснил Майк Лайн из ASU. — Вместо этого мы можем представить что-то похожее на Нептун, с большим количеством камня и меньшим количеством газа, поднять его температуру и накачать его, чтобы он выглядел так, каков он есть".