Il telescopio spaziale Webb rivela il caso dell’esopianeta gonfio “Marshmallow Microwave”.

L’improvvisa mancanza di metano suggerisce che il riscaldamento delle maree abbia gonfiato l’atmosfera del gigante di gas caldo WASP-107 b.

Perché il gas caldo è considerato un gigante? Pianeta extrasolare WASP-107b è troppo gonfio? Con una temperatura moderata e una densità estremamente bassa, paragonabile a quella di un marshmallow cotto al microonde, sembra sfidare le teorie standard sulla formazione e sull’evoluzione planetaria.

Due team indipendenti di ricercatori pensano di averlo capito. I dati di Webb, combinati con le precedenti osservazioni di Hubble, mostrano che l’interno di WASP-107 b dovrebbe essere molto più caldo di quanto stimato in precedenza. Le temperature inaspettatamente elevate, che si ritiene siano causate dalle forze di marea che allungano il pianeta come uno stupido mastice, potrebbero spiegare come pianeti come WASP-107 b possano essere così galleggianti, e forse risolvere un mistero di lunga data nella scienza degli esopianeti.

Il concept di questo artista mostra come potrebbe apparire l’esopianeta WASP-107 b sulla base dei dati recenti raccolti dal James Webb Space Telescope della NASA, insieme alle precedenti osservazioni di Hubble e di altri telescopi spaziali e terrestri. WASP-107 b è un esopianeta “caldo Nettuno” in orbita attorno a una stella piccola e relativamente fredda a circa 210 anni luce dalla Terra, nella costellazione della Vergine. Il pianeta ha circa l’80% delle dimensioni di Giove in volume, ma la sua massa è inferiore al 10% di quella di Giove, rendendolo uno degli esopianeti meno massicci conosciuti. Credito immagine: NASA, ESA, CSA, Ralph Crawford (STScI)

Il telescopio spaziale Webb rivela il caso di un pianeta extrasolare rigonfio

Perché il gigantesco esopianeta WASP-107 b è così gonfio? Due gruppi di ricerca indipendenti ora hanno una risposta.

I dati raccolti utilizzando il telescopio spaziale James Webb della NASA, così come le precedenti osservazioni del telescopio spaziale Hubble della NASA, mostrano tracce di metano (CH).₄) nell’atmosfera del pianeta. Ciò suggerisce che l’interno di WASP-107 b deve essere significativamente più caldo e il nucleo molto più grande di quanto stimato in precedenza.

Si ritiene che la temperatura inaspettatamente elevata sia il risultato del riscaldamento delle maree causato dall’orbita leggermente irregolare del pianeta e potrebbe spiegare come WASP-107 b avrebbe potuto gonfiarsi senza ricorrere a teorie estreme su come si è formato.

I risultati, resi possibili dall’eccezionale sensibilità di Webb e dalla capacità di misurare la luce che passa attraverso le atmosfere esoplanetarie, potrebbero spiegare il rigonfiamento di dozzine di esopianeti a bassa densità, contribuendo a risolvere un mistero di lunga data nella scienza degli esopianeti.

Il problema con WASP-107b

Più di tre quarti della dimensione Giove Ma meno di un decimo della massa è “calda”. NettunoL’esopianeta WASP-107 b è uno dei pianeti meno densi conosciuti. Sebbene i pianeti rigonfiati non siano rari, la maggior parte sono più caldi e massicci, e quindi più facili da spiegare.

“Sulla base del raggio, della massa, dell’età e della temperatura interna presunta, abbiamo pensato che WASP-107 b avesse un nucleo roccioso molto piccolo circondato da un’enorme massa di idrogeno ed elio”, ha spiegato Louis Wilbanks dell’Arizona State University (ASU). L’autore principale di un articolo pubblicato il 20 maggio sulla rivista natura. “Ma era difficile capire come un nucleo così piccolo potesse assorbire così tanto gas e poi smettere di crescere completamente fino a diventare un pianeta della massa di Giove”.

Questo spettro di trasmissione, ripreso con i telescopi spaziali Hubble e James Webb della NASA, mostra la quantità di diverse lunghezze d’onda (colori) della luce stellare bloccate dall’atmosfera del gigante esopianeta gassoso WASP-107 b.
Lo spettro include la luce raccolta da cinque osservazioni separate utilizzando un totale di tre diversi strumenti: WFC3 di Hubble (0,8–1,6 micron), NIRCam di Webb (2,4–4,0 micron e 3,9–5,0 micron) e MIRI di Webb (5–12 micron). Ogni serie di misurazioni è stata effettuata osservando il sistema pianeta-stella per circa 10 ore prima, durante e dopo il transito mentre il pianeta si muoveva davanti alla faccia della stella.
Confrontando la luminosità della luce filtrata attraverso l’atmosfera di un pianeta (luce trasmessa) con la luce stellare non filtrata, è possibile calcolare quanta parte di ciascuna lunghezza d’onda viene bloccata dall’atmosfera. Poiché ogni molecola assorbe una combinazione unica di lunghezze d’onda, lo spettro di trasmissione può essere utilizzato per limitare l’abbondanza di gas diversi.
Questo spettro mostra una chiara evidenza della presenza di acqua (H2O), anidride carbonica (CO2), monossido di carbonio (CO), metano (CH4), anidride solforosa (SO2) e ammoniaca (NH3) nell’atmosfera del pianeta, consentendo ai ricercatori di stimare l’atmosfera interna del pianeta. Temperatura e massa del nucleo.
La copertura della lunghezza d’onda dall’ottico al medio infrarosso è la più ampia fino ad oggi di qualsiasi spettro di trasmissione di esopianeti e include il primo rilevamento da parte di un telescopio spaziale di ammoniaca nell’atmosfera di un esopianeta.
Credito immagine: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI), Luis Welbanks (ASU), JWST MANATEE Team

Se WASP-107 b avesse avuto più massa del suo nucleo, l’atmosfera avrebbe dovuto ridursi man mano che il pianeta si è raffreddato nel tempo dalla sua formazione. Senza una fonte di calore per riespandere il gas, il pianeta dovrebbe essere molto più piccolo. Sebbene WASP-107 b abbia una distanza orbitale di soli 5 milioni di miglia (un settimo della distanza tra Mercurio e il Sole), non riceve abbastanza energia dalla sua stella per gonfiarsi così tanto.

“WASP-107 b è un obiettivo interessante per Webb perché è significativamente più freddo e più simile a Nettuno in massa rispetto a molti altri pianeti a bassa densità, come i caldi Giove, che stiamo studiando”, ha affermato David Singh di Jones University. Hopkins University (JHU), autore principale di A Studio parallelo Pubblicato oggi anche in natura. “Di conseguenza, dovremmo essere in grado di rilevare il metano e altre molecole che possono darci informazioni sulla sua chimica e sulle dinamiche interne che non possiamo ottenere da un pianeta più caldo”.

Una ricchezza di molecole precedentemente non rilevabili

Il raggio gigante di WASP-107 b, l’atmosfera estesa e l’orbita edge-on lo rendono ideale per la spettroscopia di trasmissione, un metodo utilizzato per identificare diversi gas nelle atmosfere degli esopianeti in base al modo in cui influenzano la luce stellare.

Combinando le osservazioni della NIRCam di Webb (fotocamera nel vicino infrarosso), del MIRI di Webb (strumento nel medio infrarosso) e della WFC3 (Wide Field Camera 3) di Hubble, il team di Webbanks è stato in grado di costruire un’ampia gamma di luce assorbita da 0,8 a 12,2 micron . Dall’atmosfera di WASP-107 b. Utilizzando il NIRSpec (spettrometro del vicino infrarosso) di Webb, il team di Sing ha costruito uno spettro indipendente che copre da 2,7 a 5,2 micron.

L’accuratezza dei dati rende possibile non solo rilevare ma effettivamente misurare l’abbondanza di una grande quantità di molecole, incluso il vapore acqueo (H₂O) e metano (CH₄), anidride carbonica (CO₂), monossido di carbonio (CO), anidride solforosa (SO₂) e ammoniaca (NH₃).

Questo spettro di trasmissione, preso con lo spettrografo del vicino infrarosso di Webb, mostra la quantità di diverse lunghezze d’onda (colori) della luce stellare del vicino infrarosso bloccata dall’atmosfera del gigante esopianeta gassoso WASP-107 b.
Lo spettro è stato creato osservando il sistema pianeta-stella per circa 8,5 ore prima, durante e dopo il transito mentre il pianeta si muove davanti alla faccia della stella.
Confrontando la luminosità della luce filtrata attraverso l’atmosfera di un pianeta (luce trasmessa) con la luce stellare non filtrata, è possibile calcolare quanta parte di ciascuna lunghezza d’onda viene bloccata dall’atmosfera. Poiché ogni molecola assorbe una combinazione unica di lunghezze d’onda, lo spettro di trasmissione può essere utilizzato per limitare l’abbondanza di gas diversi.
Questo spettro mostra una chiara evidenza della presenza di acqua (H2O), anidride carbonica (CO2), monossido di carbonio (CO), metano (CH4) e anidride solforosa (SO2) nell’atmosfera del pianeta, consentendo ai ricercatori di stimare la temperatura interna e massa del pianeta. essenza.
Credito immagine: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI), David Sing (JHU), NIRSpec GTO Transiting Exoplanet Team

Gas bollente, interno caldo, nucleo massiccio

Entrambi gli spettri mostrano una sorprendente mancanza di metano nell’atmosfera del pianeta WASP-107 b: un millesimo della quantità prevista in base alla sua temperatura ipotizzata.

“Questa è la prova che il gas caldo proveniente dalle profondità del pianeta deve mescolarsi fortemente con gli strati più freddi sovrastanti”, ha spiegato Singh. “Il metano è instabile alle alte temperature. Il fatto che ne abbiamo rilevato così poco, anche se abbiamo rilevato altre molecole contenenti carbonio, ci dice che l’interno del pianeta deve essere molto più caldo di quanto pensassimo”.

La probabile fonte di energia interna aggiuntiva di WASP-107 b è il riscaldamento mareale generato dalla sua orbita leggermente ellittica. Poiché la distanza tra la stella e il pianeta cambia continuamente nel corso di 5,7 giorni, cambia anche la forza di gravità, causando l’espansione e il riscaldamento del pianeta.

I ricercatori avevano precedentemente suggerito che il riscaldamento delle maree potesse essere una causa del rigonfiamento di WASP-107 b, ma fino ai risultati di Webb non c’erano prove.

Una volta confermato che il pianeta aveva abbastanza calore interno per animare completamente l’atmosfera, il team si è reso conto che gli spettri potevano anche fornire un nuovo modo per stimare la dimensione del nucleo.

“Se sappiamo quanta energia c’è nel pianeta e quale proporzione degli elementi più pesanti come carbonio, azoto, ossigeno e zolfo si trovano nel pianeta rispetto alla quantità di idrogeno ed elio, possiamo calcolare quanta massa ha il pianeta. avrebbe dovuto.” Daniel Thorngren di JHU ha spiegato.

La massa del nucleo risulta essere almeno il doppio di quella originariamente stimata, il che ha più senso in termini di come si formano i pianeti.

Nel complesso, WASP-107 b non è così misterioso come appariva in precedenza.

“I dati di Webb ci dicono che pianeti come WASP-107 b non dovevano formarsi in modo strano con un nucleo molto piccolo e un massiccio involucro gassoso”, ha spiegato Mike Lane dell’Arizona State University. “Invece, potremmo prendere qualcosa che assomigli a Nettuno, con molta roccia e poco gas, aumentare semplicemente la temperatura e regolarla in modo che abbia lo stesso aspetto”.

Riferimento: “High internal heat flux and a large core in the warm exoplanet Neptune” di Lewis Wilbanks, Taylor J. Bell, Thomas J. Beatty, Michael R. Lane, Kazumasa Ono, Jonathan J. Fortney, Everett Schlewein, Thomas P. Green, Emily Rauscher, Peter McGill, Matthew Murphy, Vivien Parmentier, Yao Tang, Isaac Edelman, Sajnik Mukherjee, Lindsay S. Weiser, Pierre-Olivier Lagage, Akren Derek e Kenneth E. Arnold, 20 maggio 2024, natura.
doi: 10.1038/s41586-024-07514-s

IL Telescopio spaziale James Webb È il primo osservatorio scientifico spaziale al mondo. Webb risolve i misteri del nostro sistema solare, guarda oltre i mondi lontani attorno ad altre stelle ed esplora le misteriose strutture e origini del nostro universo e il nostro posto in esso. WEB è un programma guidato a livello internazionale NASA Con i suoi partner l’Agenzia spaziale europea (ESA)Agenzia spaziale europea) e CSA (Agenzia spaziale canadese).