|
Происхождение сверхгорячей экзопланеты
|
|
|
|
Наблюдения с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) позволили получить новые сведения о том, как сформировалась экзопланета WASP-121b и откуда она могла взяться в газопылевом диске вокруг своей звезды. Эти данные были получены благодаря обнаружению множества ключевых молекул: водяного пара, монооксида углерода, монооксида кремния и метана.
|
|
|
|
Благодаря этим обнаружениям команда, возглавляемая астрономами Томасом Эвансом-Сомой и Сирилом Гаппом, смогла составить перечень углерода, кислорода и кремния в атмосфере WASP-121b. Обнаружение метана, в частности, также указывает на сильные вертикальные ветры на более прохладной ночной стороне, процесс, который часто игнорируется в современных моделях.
|
|
|
|
WASP-121b - это сверхгорячая планета-гигант, которая обращается вокруг своей звезды-хозяина на расстоянии, примерно вдвое превышающем диаметр звезды, совершая один оборот примерно за 30,5 часов. Планета имеет два различных полушария: одно, которое всегда обращено к звезде-хозяину, с температурой, превышающей 3000 градусов по Цельсию, и вечно темную сторону, где температура падает до 1500 градусов.
|
|
|
|
|
|
|
"Дневные температуры достаточно высоки для того, чтобы огнеупорные материалы — обычно твердые соединения, устойчивые к сильному нагреву, — могли существовать в виде газообразных компонентов атмосферы планеты", - пояснил Томас Эванс-Сома. Он является астрономом, работающим в Институте астрономии Макса Планка (MPIA) в Гейдельберге, Германия, и Университете Ньюкасла, Австралия. Он руководил исследованием, опубликованным в журнале Nature Astronomy.
|
|
|
|
Он раскрыл место рождения WASP-121b.
|
|
|
|
Команда исследовала множество соединений, которые испаряются при самых разных температурах, что дает ключ к пониманию формирования и эволюции планеты. "Газообразные вещества легче идентифицировать, чем жидкости и твердые тела", - отметил студент MPIA Сирил Гапп, ведущий автор второго исследования, опубликованного в Astronomical Journal.
|
|
|
|
"Поскольку многие химические соединения присутствуют в газообразной форме, астрономы используют WASP-121b в качестве естественной лаборатории для изучения свойств атмосфер планет".
|
|
|
|
Команда пришла к выводу, что WASP-121b, вероятно, накопил большую часть своего газа в регионе, достаточно холодном для того, чтобы вода оставалась замороженной, но в то же время достаточно теплом для того, чтобы метан (CH4) испарялся и существовал в своей газообразной форме. Поскольку планеты формируются внутри диска из газа и пыли, окружающего молодую звезду, такие условия возникают на расстояниях, где звездное излучение создает соответствующие температуры.
|
|
|
|
В нашей солнечной системе этот регион находится где-то между орбитами Юпитера и Урана. Это примечательно, учитывая, что WASP-121b сейчас обращается в опасной близости от поверхности своей звезды-хозяина. Это говорит о том, что после своего образования она проделала долгий путь от внешних ледяных областей к центру планетной системы.
|
|
Реконструируем богатую событиями молодость WASP-121b
|
|
|
|
Кремний был обнаружен как газообразный монооксид кремния (SiO), но первоначально он попал на планету через каменистый материал, такой как кварц, хранящийся в планетезималях — по сути, астероидах — после того, как приобрел большую часть своей газовой оболочки. Формирование планетезималей требует времени, что указывает на то, что этот процесс происходил на более поздних стадиях развития планеты.
|
|
|
|
Формирование планет начинается с частиц ледяной пыли, которые слипаются и постепенно превращаются в гальку размером от сантиметра до метра. Они притягивают окружающий газ и мелкие частицы, ускоряя их рост.
|
|
|
|
Это зародыши будущих планет, подобных WASP-121b. Притяжение окружающего газа заставляет движущиеся камешки двигаться по спирали внутрь, к звезде. По мере того, как они мигрируют, содержащийся в них лед начинает испаряться в более теплых внутренних областях диска.
|
|
|
|
Пока молодые планеты вращаются вокруг своих звезд-хозяев, они могут вырасти достаточно большими, чтобы в протопланетном диске образовались значительные пробелы. Это останавливает дрейф гальки внутрь планеты и поступление льда, но оставляет достаточно газа для создания атмосферы.
|
|
|
|
В случае с WASP-121b это, по-видимому, произошло в том месте, где метановая галька испарилась, обогатив газ, который снабжал планету углеродом. В отличие от этого, водяная галька оставалась замороженной, удерживая кислород.
|
|
|
|
Этот сценарий лучше всего объясняет, почему Эванс-Сома и Гапп наблюдали более высокое соотношение углерода и кислорода в атмосфере планеты, чем у ее звезды-хозяина. WASP-121b продолжал притягивать богатый углеродом газ после того, как поток обогащенной кислородом гальки прекратился, что определило окончательный состав его атмосферной оболочки.
|
|
|
|
Для обнаружения метана необходимы сильные вертикальные потоки
|
|
|
|
Ожидается, что при изменении температуры атмосферы количество различных молекул, таких как метан и монооксид углерода, будет меняться.
|
|
|
|
При сверхвысоких температурах дневной стороны WASP-121b метан крайне нестабилен и не будет присутствовать в заметных количествах. Астрономы определили для планет, подобных WASP-121b, что газ из дневного полушария должен перемешиваться с относительно прохладным ночным полушарием быстрее, чем состав газа сможет приспособиться к более низким температурам.
|
|
|
|
Согласно этому сценарию, можно было бы ожидать, что на темной стороне, как и на дневной, содержание метана будет незначительным. Когда вместо этого астрономы обнаружили большое количество метана на темной стороне WASP-121b, это стало полной неожиданностью.
|
|
|
|
Чтобы объяснить этот результат, команда предполагает, что газообразный метан должен быстро восполняться на темной стороне, чтобы поддерживать его высокое содержание.
|
|
|
|
Вероятный механизм этого заключается в сильных вертикальных потоках, поднимающих газообразный метан из нижних слоев атмосферы, которые богаты метаном благодаря относительно низким ночным температурам в сочетании с высоким соотношением углерода и кислорода в атмосфере.
|
|
|
|
"Это бросает вызов динамическим моделям экзопланет, которые, вероятно, необходимо адаптировать для воспроизведения сильного вертикального перемешивания, которое мы обнаружили на темной стороне WASP-121b", - сказал Эванс-Сома.
|
|
Роль JWST в открытии
|
|
|
|
Команда использовала спектрограф JWST в ближнем инфракрасном диапазоне (NIRSpec) для наблюдения WASP-121b на протяжении всей ее орбиты вокруг звезды-хозяина. Поскольку планета вращается вокруг своей оси, тепловое излучение, получаемое от ее поверхности, меняется, открывая телескопу различные участки ее атмосферы. Это позволило команде охарактеризовать условия и химический состав дневной и ночной сторон планеты.
|
|
|
|
Астрономы также зафиксировали, как планета проходила перед своей звездой. Во время этой фазы часть звездного света проникает сквозь атмосферный слой планеты, оставляя спектральные отпечатки, которые раскрывают ее химический состав. Этот тип измерений особенно чувствителен к переходной области, где смешиваются газы дневной и ночной сторон.
|
|
|
|
"Появившийся спектр пропускания подтвердил обнаружение монооксида кремния, монооксида углерода и воды, которые были получены на основе данных о выбросах", - отметил Гэпп. "Однако мы не смогли обнаружить метан в переходной зоне между дневной и ночной сторонами".
|
|
|
|
Источник
|
