Das Webb-Weltraumteleskop enthüllt den Fall des aufgeblähten Exoplaneten „Marshmallow Microwave“.

Der plötzliche Methanmangel deutet darauf hin, dass die Atmosphäre des Warmgasriesen WASP-107 b durch die Gezeitenerwärmung aufgebläht wurde.

Warum gilt warmes Gas als Riese? Exoplanet WASP-107b zu geschwollen? Mit einer moderaten Temperatur und einer extrem geringen Dichte, die mit einem Mikrowellen-Marshmallow vergleichbar ist, scheint es den Standardtheorien der Planetenentstehung und -entwicklung zu widersprechen.

Zwei unabhängige Forscherteams glauben, es herausgefunden zu haben. Daten von Webb, kombiniert mit früheren Beobachtungen von Hubble, zeigen, dass das Innere von WASP-107 b viel heißer sein dürfte als bisher angenommen. Die unerwartet hohen Temperaturen, von denen angenommen wird, dass sie durch Gezeitenkräfte verursacht werden, die den Planeten wie dummen Kitt ausdehnen, könnten erklären, warum Planeten wie WASP-107 b so schwimmfähig sein können, und möglicherweise ein seit langem bestehendes Rätsel in der Exoplanetenwissenschaft lösen.

Das Konzept dieses Künstlers zeigt, wie der Exoplanet WASP-107 b aussehen könnte, basierend auf aktuellen Daten des James Webb-Weltraumteleskops der NASA sowie früheren Beobachtungen von Hubble und anderen weltraum- und bodengestützten Teleskopen. WASP-107 b ist ein „warmer Neptun“-Exoplanet, der einen kleinen, relativ kühlen Stern etwa 210 Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Jungfrau umkreist. Der Planet ist volumenmäßig etwa 80 % so groß wie Jupiter, aber seine Masse beträgt weniger als 10 % der Jupitermasse, was ihn zu einem der masseärmsten bekannten Exoplaneten macht. Bildquelle: NASA, ESA, Canadian Space Agency, Ralph Crawford (STScI)

Das Webb-Weltraumteleskop enthüllt den Fall eines aufgeblähten Exoplaneten

Warum ist der warme Gasriese Exoplanet WASP-107 b so aufgebläht? Zwei unabhängige Forscherteams haben nun eine Antwort.

Daten, die mit dem James Webb-Weltraumteleskop der NASA gesammelt wurden, sowie frühere Beobachtungen mit dem Hubble-Weltraumteleskop der NASA zeigen Spuren von Methan (CH).₄) in der Atmosphäre des Planeten. Dies deutet darauf hin, dass das Innere von WASP-107 b deutlich heißer und der Kern viel größer sein muss als bisher angenommen.

Es wird angenommen, dass die unerwartet hohe Temperatur auf die durch die leicht unregelmäßige Umlaufbahn des Planeten verursachte Gezeitenerwärmung zurückzuführen ist und erklären könnte, wie sich WASP-107 b hätte aufblasen können, ohne auf extreme Theorien über seine Entstehung zurückgreifen zu müssen.

Die Ergebnisse, die durch Webbs außergewöhnliche Sensibilität und die damit einhergehende Fähigkeit, Licht zu messen, das durch exoplanetare Atmosphären gelangt, ermöglicht wurden, könnten die Aufblähung von Dutzenden von Exoplaneten geringer Dichte erklären und so zur Lösung eines seit langem bestehenden Rätsels in der Exoplanetenwissenschaft beitragen.

Das Problem mit WASP-107b

Mehr als drei Viertel der Größe der Jupiter Aber weniger als ein Zehntel der Masse ist „warm“. NeptunDer Exoplanet WASP-107 b ist einer der Planeten mit der geringsten Dichte, die wir kennen. Obwohl Bulge-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 gingen wir davon aus, dass WASP-107 b einen sehr kleinen Gesteinskern hatte, der von einer riesigen Masse aus Wasserstoff und Helium umgeben war“, erklärte Louis Wilbanks von der Arizona State University (ASU). Der Hauptautor eines Artikels, der am 20. Mai in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Natur. „Aber es war schwer zu verstehen, wie ein so kleiner Kern so viel Gas mitreißen und dann aufhören konnte, sich vollständig zu einem Planeten mit Jupitermasse zu entwickeln.“

Dieses Transmissionsspektrum, aufgenommen mit den Weltraumteleskopen Hubble und James Webb der NASA, zeigt die Mengen verschiedener Wellenlängen (Farben) des Sternenlichts, die von der Atmosphäre des Gasriesen-Exoplaneten WASP-107 b blockiert werden.
Das Spektrum umfasst Licht, das durch fünf separate Beobachtungen mit insgesamt drei verschiedenen Instrumenten gesammelt wurde: Hubbles WFC3 (0,8–1,6 Mikrometer), Webbs NIRCam (2,4–4,0 Mikrometer und 3,9–5,0 Mikrometer) und Webbs MIRI (5–12 Mikrometer). Für jede Messreihe wurde das Planet-Stern-System vor, während und nach dem Transit etwa zehn Stunden lang beobachtet, während sich der Planet über die Oberfläche des Sterns bewegte.
Durch den Vergleich der Helligkeit des durch die Atmosphäre eines Planeten gefilterten Lichts (durchgelassenes Licht) mit ungefiltertem Sternenlicht kann berechnet werden, wie viel von jeder Wellenlänge von der Atmosphäre blockiert wird. Da jedes Molekül eine einzigartige Kombination von Wellenlängen absorbiert, kann das Transmissionsspektrum verwendet werden, um die Häufigkeit verschiedener Gase einzuschränken.
Dieses Spektrum zeigt klare Hinweise auf das Vorhandensein von Wasser (H2O), Kohlendioxid (CO2), Kohlenmonoxid (CO), Methan (CH4), Schwefeldioxid (SO2) und Ammoniak (NH3) in der Atmosphäre des Planeten und ermöglicht Forschern Schätzungen die innere Atmosphäre des Planeten. Temperatur und Masse des Kerns.
Die Wellenlängenabdeckung vom optischen bis zum mittleren Infrarotbereich ist die breiteste aller bisherigen Exoplaneten-Übertragungsspektren und umfasst die erste Entdeckung von Ammoniak in der Atmosphäre eines Exoplaneten durch ein Weltraumteleskop.
Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI), Luis Welbanks (ASU), JWST MANATEE Team

Wenn WASP-107 b mehr Masse als sein 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 eine Umlaufentfernung von nur 5 Millionen Meilen (ein Siebtel der Entfernung zwischen Merkur und der Sonne) hat, erhält es nicht genug Energie von seinem Stern, um sich so stark aufzublasen.

„WASP-107 b ist ein interessantes Ziel für den Webb, weil er deutlich kühler ist und Neptun in seiner Masse ähnlicher ist als viele der anderen Planeten mit geringer Dichte, wie zum Beispiel heiße Jupiter, die wir untersucht haben“, sagte David Singh von Jones-Universität. Hopkins University (JHU), Hauptautor für A Parallelstudium Heute auch veröffentlicht in Natur. „Dadurch sollten wir in der Lage sein, Methan und andere Moleküle nachzuweisen, die uns Informationen über seine Chemie und innere Dynamik liefern können, die wir von einem heißeren Planeten nicht erhalten können.“

Eine Fülle bisher nicht nachweisbarer Moleküle

Der riesige Radius, die ausgedehnte Atmosphäre und die seitliche Umlaufbahn von WASP-107 b machen es ideal für die Transmissionsspektroskopie, eine Methode zur Identifizierung verschiedener Gase in Exoplanetenatmosphären anhand ihrer Auswirkung auf das Sternenlicht.

Durch die Kombination von Beobachtungen von Webbs NIRCam (Nahinfrarotkamera), Webbs MIRI (Mittelinfrarotinstrument) und Hubbles WFC3 (Wide Field Camera 3) konnte das Webbanks-Team einen weiten Bereich absorbierten Lichts von 0,8 bis 12,2 Mikrometern konstruieren . Durch die Atmosphäre von WASP-107 b. Mit Webbs NIRSpec (Nahinfrarotspektrometer) erstellte Sings Team ein unabhängiges Spektrum, das 2,7 bis 5,2 Mikrometer abdeckt.

Die Genauigkeit der Daten ermöglicht es, die Häufigkeit einer Fülle von Molekülen, einschließlich Wasserdampf (H.), nicht nur zu erkennen, sondern tatsächlich zu messen₂O) und Methan (CH₄), Kohlendioxid (CO₂), Kohlenmonoxid (CO), Schwefeldioxid (SO₂) und Ammoniak (NH₃).

Dieses mit Webbs Nahinfrarot-Spektrograph aufgenommene Transmissionsspektrum zeigt die Mengen verschiedener Wellenlängen (Farben) des Nahinfrarot-Sternenlichts, das von der Atmosphäre des Gasriesen-Exoplaneten WASP-107 b blockiert wird.
Das Spektrum wurde durch etwa 8,5-stündige Beobachtung des Planeten-Stern-Systems vor, während und nach dem Transit erstellt, während sich der Planet über die Oberfläche des Sterns bewegt.
Durch den Vergleich der Helligkeit des durch die Atmosphäre eines Planeten gefilterten Lichts (durchgelassenes Licht) mit ungefiltertem Sternenlicht kann berechnet werden, wie viel von jeder Wellenlänge von der Atmosphäre blockiert wird. Da jedes Molekül eine einzigartige Kombination von Wellenlängen absorbiert, kann das Transmissionsspektrum verwendet werden, um die Häufigkeit verschiedener Gase einzuschränken.
Dieses Spektrum zeigt klare Hinweise auf das Vorhandensein von Wasser (H2O), Kohlendioxid (CO2), Kohlenmonoxid (CO), Methan (CH4) und Schwefeldioxid (SO2) in der Atmosphäre des Planeten und ermöglicht es Forschern, die Innentemperatur abzuschätzen und Masse des Planeten. Wesen.
Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI), David Sing (JHU), NIRSpec GTO Transiting Exoplanet Team

Kochendes Gas, heißer Innenraum, massiver Kern

Beide Spektren zeigen einen überraschenden Mangel an Methan in der Atmosphäre des Planeten WASP-107 b: ein Tausendstel der Menge, die aufgrund seiner angenommenen Temperatur erwartet wird.

„Dies ist ein Beweis dafür, dass sich heißes Gas aus der Tiefe des Planeten stark mit den kühleren Schichten darüber vermischen muss“, erklärte Singh. „Die Tatsache, dass wir so wenig entdeckt haben, obwohl wir andere kohlenstoffhaltige Moleküle entdeckt haben, sagt uns, dass das Innere des Planeten viel heißer sein muss, als wir dachten.“

Die wahrscheinliche Quelle der zusätzlichen inneren Energie von WASP-107 b ist die Gezeitenerwärmung, die durch seine leicht elliptische Umlaufbahn erzeugt wird. Da sich der Abstand zwischen Stern und Planet im Laufe von 5,7 Tagen kontinuierlich ändert, ändert sich auch die Schwerkraft, wodurch sich der Planet ausdehnt und erwärmt.

Forscher hatten zuvor vermutet, dass die Gezeitenerwärmung eine Ursache für die Schwellung von WASP-107 b sein könnte, doch bis zu Webbs Ergebnissen gab es keine Beweise.

Nachdem bestätigt wurde, dass der Planet über genügend innere Wärme verfügt, um die Atmosphäre vollständig zu beleben, erkannte das Team, 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 der schwereren Elemente wie Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Schwefel auf dem Planeten im Vergleich zur Menge an Wasserstoff und Helium haben, können wir berechnen, wie viel Masse der Planet hat.“ sollte haben.“ Daniel Thorngren von der JHU erklärte es.

Es stellt sich heraus, dass die Kernmasse mindestens doppelt so groß ist wie ursprünglich geschätzt, was im Hinblick auf die Entstehung von Planeten sinnvoller ist.

Insgesamt ist WASP-107 b nicht so mysteriös, wie es zuvor schien.

„Webbs Daten sagen uns, dass Planeten wie WASP-107 b nicht auf seltsame Weise mit einem sehr kleinen Kern und einer massiven Gashülle entstanden sein müssen“, erklärte Mike Lane von der Arizona State University. „Stattdessen könnten wir etwas nehmen, das wie Neptun aussieht, mit viel Gestein und nicht viel Gas, einfach die Temperatur erhöhen und es verschieben, damit es genauso aussieht.“

Referenz: „Hoher interner Wärmefluss und ein großer Kern im warmen Exoplaneten Neptun“ von 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 und Kenneth E. Arnold, 20. Mai 2024, Natur.
doi: 10.1038/s41586-024-07514-s

Die James Webb-Weltraumteleskop Es ist das erste Weltraumobservatorium der Welt. Webb löst die Geheimnisse unseres Sonnensystems, blickt über die fernen Welten um andere Sterne hinaus und erforscht die mysteriösen Strukturen und Ursprünge unseres Universums und unseren Platz darin. WEB ist ein international geführtes Programm NASA Mit seinen Partnern der Europäischen Weltraumorganisation (ESA)Europäische Weltraumorganisation) und CSA (Canadian Space Agency).