Webb-Weltraumteleskop löst seltenen Fall eines aufgeblasenen Exoplaneten

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Künstlerische Vorstellung davon, wie der warme Exoplanet Neptun WASP-107 b aussehen könnte, basierend auf aktuellen Daten des James Webb-Weltraumteleskops der NASA sowie früheren Beobachtungen des Hubble-Weltraumteleskops der NASA und anderer Observatorien. Beobachtungen deuten darauf hin, dass der Planet einen relativ großen Kern hat, der von einer relativ kleinen Masse aus Wasserstoff- und Heliumgas umgeben ist, die sich aufgrund der Gezeitenerwärmung seines Inneren aufgeblasen hat. Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI)
Francisco Martin Leon

Francisco Martin Leon 21.05.2024 12:00 9 Min

Wie von der berichtet NASA auf SpanischDaten, die mit der gesammelt wurden James Webb-Weltraumteleskop Die NASA-Daten der NASA zeigen in Kombination mit früheren Beobachtungen des Hubble-Weltraumteleskops überraschend wenig Methan (CH4) in der Atmosphäre des Planeten, was darauf hindeutet, dass das Innere von WASP-107 b Es muss deutlich heißer und der Kern viel massiver sein als bisher angenommen.

Das James Webb-Weltraumteleskop entdeckt eine neue Klasse entfernter, mysteriöser „frei schwebender“ Planeten

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Es wird angenommen, dass unerwartet hohe Temperatur Es ist das Ergebnis der Gezeitenerwärmung, die durch die leicht nicht kreisförmige Umlaufbahn des Planeten verursacht wird, und könnte erklären, wie WASP-107 b so aufgeblasen werden kann, ohne auf extreme Theorien über seine Entstehung zurückgreifen zu müssen.

Die Ergebnisse, die durch Webbs außergewöhnliche Sensibilität und Fähigkeit, Licht zu messen, das durch die Atmosphäre von Exoplaneten dringt, ermöglicht werden, könnten das Anschwellen von Dutzenden von Exoplaneten mit geringer Dichte erklären und dazu beitragen, ein seit langem bestehendes Rätsel in der Exoplanetenwissenschaft zu lösen.

Das Problem mit WASP-107b

Mit mehr als drei Vierteln des Volumens von Jupiter, aber weniger als einem Zehntel seiner Masse, Der Exoplanet WASP-107 b, „warmer Neptun“, ist einer der Planeten mit der geringsten Dichte, die wir kennen. Während aufgeblähte Planeten keine Seltenheit sind, sind die meisten heißer und massereicher und daher leichter zu erklären.

Aufgrund seines Radius, seiner Masse, seines Alters und der angenommenen Innentemperatur gehen wir davon aus, dass WASP-107 b einen sehr kleinen Gesteinskern hatte, der von einer riesigen Masse aus Wasserstoff und Helium umgeben war.“er erklärte Luis Welbanks von der Arizona State University (ASU), Hauptautor eines heute in Nature veröffentlichten Artikels. “Aber es war schwer zu verstehen, wie ein so kleiner Kern so viel Gas absorbieren konnte und sich dann nicht zu einem Planeten mit der Masse Jupiters entwickelte.“.

Wenn WASP-107 b stattdessen mehr Masse im Kern hätte, hätte die Atmosphäre schrumpfen müssen, da der Planet seit seiner Entstehung im Laufe der Zeit abgekühlt ist. Ohne eine Wärmequelle zur erneuten Expansion des Gases müsste der Planet viel kleiner sein. Obwohl WASP-107 b hat eine Umlaufentfernung von etwas mehr als 8 Millionen Kilometern (ein Siebtel der Entfernung zwischen Merkur und der Sonne), erhält nicht genügend Energie von seinem Stern so aufgeblasen sein.

WASP-107 b ist ein sehr interessantes Ziel für Webb, da er deutlich kühler und in seiner Masse Neptun-ähnlicher ist als viele der anderen Planeten mit geringer Dichte, die heißen Jupiter, die wir untersucht haben.“, sagte David Sing von der Johns Hopkins University (JHU), Hauptautor einer parallelen Studie, die heute ebenfalls in Nature veröffentlicht wurde. “Dadurch sollten wir in der Lage sein, Methan und andere Moleküle nachzuweisen, die uns Informationen über ihre innere Chemie und Dynamik liefern können, die wir von einem heißeren Planeten nicht erhalten können.“.

Eine große Anzahl bisher nicht nachweisbarer Moleküle

Der Riesenradius, die ausgedehnte Atmosphäre und die Randumlaufbahn von WASP-107 b machen es ideal für die Transmissionsspektroskopie, eine Methode zur Identifizierung der verschiedenen Gase in der Atmosphäre eines Exoplaneten anhand ihrer Auswirkung auf das Sternenlicht.

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Dieses Transmissionsspektrum, aufgenommen mit Webbs hellem Objektspektrometer NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph), zeigt die Mengen verschiedener Wellenlängen (Farben) des Nahinfrarot-Sternenlichts, das von der Atmosphäre des Gasriesen-Exoplaneten WASP-107 blockiert wird. Das Spektrum zeigt klare Hinweise auf Wasser (H2O), Kohlendioxid (CO2), Kohlenmonoxid (CO), Methan (CH4) und Schwefeldioxid (SO2) in der Atmosphäre des Planeten und ermöglicht es Forschern, die Innentemperatur und die Masse des Planeten abzuschätzen Kern. Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI) Wissenschaft: D. Sing (JHU) und das NIRSpec GTO-Transit-Exoplaneten-Team

Durch die Kombination von Beobachtungen von Webbs NIRCam (Nahinfrarotkamera), Webbs MIRI (Mittelinfrarotinstrument) und Hubbles WFC3 (Wide Field Camera 3) konnte Welbanks Team ein breites Spektrum absorbierten Lichts von 0,8 bis 12,2 Mikrometern konstruieren durch die Atmosphäre von WASP-107 b. Mit Webbs NIRSpec (Nahinfrarot-Spektrograph) konstruierte Sings Team ein unabhängiges Spektrum von 2,7 bis 5,2 Mikrometern.

Die Präzision der Daten ermöglicht es, nicht nur eine große Anzahl von Molekülen zu erkennen, sondern auch deren Häufigkeit zu messen, darunter Wasserdampf (H2O), Methan (CH4), Kohlendioxid (CO2), Kohlenmonoxid (CO) und Schwefel Kohlendioxid (SO2) und Ammoniak (NH3).

Turbulentes Gas, heißes Inneres und massiver Kern

Beide Spektren weisen einen überraschenden Mangel an Methan auf in der Atmosphäre von WASP-107 b: ein Tausendstel der aufgrund der angenommenen Temperatur zu erwartenden Menge.

Dies ist ein Beweis dafür, dass sich heißes Gas aus der Tiefe des Planeten kräftig mit den kühleren Schichten darüber vermischen muss.„Sing erklärt.“Methan ist bei hohen Temperaturen instabil. Die Tatsache, dass wir so wenig entdeckt haben, obwohl wir andere kohlenstoffhaltige Moleküle entdeckt haben, sagt uns, dass das Innere des Planeten deutlich heißer sein muss, als wir dachten.“.

Eine wahrscheinliche Quelle innerer Energie Zusätzliches WASP-107 b ist das Gezeitenerwärmung aufgrund seiner leicht elliptischen UmlaufbahnZu. Da sich der Abstand zwischen Stern und Planet während der 5,7-tägigen Umlaufbahn kontinuierlich ändert, ändert sich auch die Anziehungskraft, wodurch der Planet gedehnt und erwärmt wird.

Forscher hatten zuvor vorgeschlagen, dass die Gezeitenerwärmung die Ursache für die Schwellung von WASP-107 b sein könnte, aber bis Webbs Ergebnisse vorlagen, gab es keine Beweise.

Nachdem sie festgestellt hatten, dass der Planet über genügend innere Wärme verfügt, um die Atmosphäre vollständig aufzuwirbeln, erkannten die Teams, dass die Spektren auch eine neue Möglichkeit bieten könnten, die Größe des Kerns abzuschätzen.

Wenn wir wissen, wie viel Energie auf dem Planeten vorhanden ist und welchen Anteil schwerer Elemente wie Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Schwefel im Vergleich zur Menge an Wasserstoff und Helium auf dem Planeten haben, können wir berechnen, wie viel Masse vorhanden sein muss auf dem Planeten Kern“er erklärte Daniel Thorngren von der JHU.

Es stellt sich heraus, dass der Kern mindestens doppelt so massereich ist wie ursprünglich angenommen, was im Hinblick auf die Entstehung von Planeten sinnvoller ist.

Alles in allem ist WASP-107 b nicht so mysteriös, wie es schien.

Dieser Eintrag wurde am 21. Mai 2024 in den News von Francisco Martín León veröffentlicht

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