Şişmiş ötegezegen vakasının gizemi çözülüyor

WASP-107 b, Başak takımyıldızında, Dünya'dan yaklaşık 210 ışıkyılı uzaklıkta, gökbilimcilerce nispeten küçük ve soğuk bir yıldızın etrafında dönen 'sıcak bir Neptün' olarak tanımlanan  ötegezegenidir.

Gezegen, hacim açısından Jüpiter'in yaklaşık %80'i boyutundadır, ancak Jüpiter'in %10'undan daha az bir kütleye sahiptir, bu da onu bilinen en az yoğun dış gezegenlerden biri yapmaktadır.

WASP-107 b, yıldızının etrafında yaklaşık 5 milyon mil (0,055 astronomik birim veya AU) mesafede dönerek bir turunu 5,72 günde tamamlıyor. Gezegen gelgit açısından kilitlidir: Yıldızın yörüngesindekiyle aynı hızda döner; bu, bir tarafının sürekli aydınlandığı, diğer tarafının sürekli karanlıkta olduğu anlamına gelir; dolayısıyla gündüz-gece döngüsü yoktur. WASP-107 b'nin yörüngesi hafif eliptiktir; bu, gezegen yörüngesi sırasında yıldıza doğru ve yıldızdan uzaklaştıkça yıldız ile gezegen arasındaki çekim kuvvetinin sürekli değiştiği anlamına gelir.

WASP-107 b hiçbir teleskopla doğrudan görüntülenmedi: Puslu mavi bir atmosfere ve uzayın siyah arka planında gevşek bulut şeritlerine sahip bir ötegezegenin illüstrasyonunda gezegenin sağ dörtte üçü şekilde gösterilmeyen bir yıldız tarafından aydınlatılıyor. 

NASA/ESA Hubble Uzay Teleskobu'nun WFC3 (Geniş Alan Kamerası 3) ve Webb'in NIRCam'i (Yakın Kızılötesi Kamera), NIRSpec (Yakın Kızılötesi Spektrograf) ve MIRI (Orta-Kızılötesi Spektrograf) tarafından yakalanan 0,8 ila 12 mikron arası kızılötesi ışığın gözlemleri Kızılötesi Enstrüman), gezegenin nispeten küçük bir hidrojen ve helyum gazı kütlesiyle çevrelenmiş, nispeten büyük bir çekirdeğe sahip olduğunu ve bu gazın iç kısımdaki gelgit ısınmasıyla şiştiğini öne sürüyor.

NASA/ESA/CSA James Webb Uzay Teleskobu kullanılarak toplanan veriler, NASA/ESA Hubble Uzay Teleskobu'ndan yapılan daha önceki gözlemlerle birleştirildiğinde, WASP-107 b'nin atmosferinde şaşırtıcı derecede az metan (CH4) bulunduğunu gösteriyor; bu da gezegenin iç kısmının önemli ölçüde daha sıcak olmalı ve çekirdek önceden tahmin edilenden çok daha büyük olmalıdır.

Sıcak gaz devi ötegezegen WASP-107 b neden bu kadar şişkin?

İki bağımsız araştırmacı ekibinin bir cevabı var.

Beklenmedik derecede yüksek sıcaklığın, gezegenin dairesel olmayan yörüngesinden kaynaklanan gelgit ısınmasının bir sonucu olduğu düşünülüyor ve WASP-107 b'nin nasıl oluştuğuna dair aşırı teorilere başvurmadan nasıl bu kadar şişirilebildiğini açıklayabiliyor.

Webb'in dış gezegen atmosferlerinden geçen ışığı ölçme konusundaki olağanüstü yeteneği sayesinde mümkün olan sonuçlar, düzinelerce düşük yoğunluklu dış gezegenin şişkinliğini açıklayabilir ve dış gezegen biliminde uzun süredir devam eden bir gizemin çözülmesine yardımcı olabilir.

WASP-107 b ile ilgili sorun

Jüpiter'in hacminin dörtte üçünden fazla, ancak kütlesinin onda birinden daha az olan "sıcak Neptün" ötegezegeni WASP-107 b, bilinen en az yoğun gezegenlerden biridir. Kabarık gezegenler nadir olmasa da çoğu daha sıcak ve daha büyüktür ve bu nedenle açıklanması daha kolaydır.

Arizona Eyalet Üniversitesi'nden (ASU) Luis Welbanks, "Yarıçapı, kütlesi ve yaşına dayanarak, WASP-107 b'nin devasa bir hidrojen ve helyum kütlesiyle çevrelenmiş çok küçük, kayalık bir çekirdeğe sahip olduğunu düşündük" diye açıkladı. makale bugün Nature'da yayınlandı. “Fakat bu kadar küçük bir çekirdeğin nasıl bu kadar çok gazı süpürdüğünü ve daha sonra tamamen Jüpiter kütleli bir gezegene dönüşmeyi durdurduğunu anlamak zordu.”

Eğer WASP-107 b'nin kütlesi çekirdekte daha fazlaysa, gezegen oluştuğundan bu yana soğuduğundan atmosferin daralmış olması gerekirdi. Gazı yeniden genişletecek bir ısı kaynağı olmadığında gezegenin çok daha küçük olması gerekir. WASP-107 b'nin yörünge mesafesi sadece 5 milyon mil (Merkür ile Güneş arasındaki mesafenin yedide biri) olmasına rağmen, yıldızından bu kadar şişecek kadar enerji almıyor.

Johns'tan David Sing, "WASP-107 b, Webb için çok ilginç bir hedef çünkü üzerinde çalıştığımız diğer düşük yoğunluklu gezegenlerin (sıcak Jüpiterler) çoğundan çok daha soğuk ve kütle olarak Neptün'e daha çok benziyor" dedi. Hopkins Üniversitesi (JHU), bugün Nature'da yayınlanan paralel bir çalışmanın baş yazarı. "Sonuç olarak, bize metanın kimyası ve iç dinamikleri hakkında daha sıcak bir gezegenden alamadığımız bilgiler verebilecek metan ve diğer molekülleri tespit edebilmeliyiz."  diyor.

Daha önce tespit edilemeyen zengin moleküller

WASP-107 b'nin devasa yarıçapı, geniş atmosferi ve uçtan uca yörüngesi, onu yıldız ışığını nasıl etkilediklerine bağlı olarak dış gezegen atmosferindeki çeşitli gazları tanımlamak için kullanılan bir yöntem olan iletim spektroskopisi için ideal kılıyor.

Webb'in NIRCam'i (Yakın Kızılötesi Kamera) ve MIRI'den (Orta Kızılötesi Cihaz) ve Hubble'ın WFC3'ünden (Geniş Alan Kamerası 3) gelen gözlemleri birleştiren Welbanks'ın ekibi, WASP tarafından emilen 0,8 ila 12,2 mikronluk geniş bir ışık spektrumu oluşturmayı başardı. -107 b'nin atmosferi. Sing'in ekibi, Webb'in NIRSpec'ini (Yakın Kızılötesi Spektrograf) kullanarak 2,7 ila 5,2 mikronu kapsayan bağımsız bir spektrum oluşturdu.

Verilerin dikkate değer hassasiyeti, su buharı (H2O), metan (CH4), karbondioksit (CO2), karbon monoksit (CO), kükürt dahil olmak üzere çok sayıda molekülün yalnızca tespit edilmesini değil aynı zamanda bolluğunun ölçülmesini de mümkün kılar. dioksit (SO2) ve amonyak (NH3).

Avrupa Uzay Ajansı'ndan ve çalışmanın NIRSpec gözlemlerinin Baş Araştırmacısı Stephan Birkmann, "Webb'in NIRSpec spektroskopisi ile WASP-107 b'nin kimyasına doğrudan içgörü elde ediyoruz" dedi. "NIRSpec spektroskopisi, gezegenin atmosferik bileşimini araştırmamıza olanak tanıyor ve MIRI ve NIRCam gözlemlerini düzgün bir şekilde tamamlıyor."

Kaynayan gaz, sıcak iç kısım ve devasa çekirdek

Her iki spektrum da WASP-107 b'nin atmosferinde şaşırtıcı bir metan eksikliği gösteriyor: varsayılan sıcaklığa göre beklenen miktarın binde biri.

Sing, "Bu, gezegenin derinliklerinden gelen sıcak gazın daha yukarıdaki soğuk katmanlarla kuvvetli bir şekilde karışması gerektiğinin kanıtıdır" diye açıkladı. "Metan yüksek sıcaklıklarda kararsızdır. Diğer karbon taşıyan molekülleri tespit etmemize rağmen bu kadar az şey tespit etmiş olmamız, bize gezegenin iç kısmının düşündüğümüzden önemli ölçüde daha sıcak olması gerektiğini söylüyor."

WASP-107 b'nin ekstra iç enerjisinin olası bir kaynağı, hafif eliptik yörüngesinden kaynaklanan gelgit ısınmasıdır. Yıldız ile gezegen arasındaki mesafe 5,7 günlük yörünge boyunca sürekli değişirken, yer çekimi de değişiyor, gezegeni geriyor ve ısıtıyor.

Araştırmacılar daha önce WASP-107 b'nin şişkinliğinin nedeninin gelgit ısınması olabileceğini öne sürmüştü ancak Webb sonuçları gelene kadar hiçbir kanıt yoktu.

Ekipler, gezegenin atmosferi tamamen karıştırmaya yetecek kadar iç ısıya sahip olduğunu belirledikten sonra spektrumların çekirdeğin boyutunu tahmin etmek için yeni bir yol sağlayabileceğini fark etti.

"Gezegende ne kadar enerji olduğunu bilirsek ve gezegenin ne kadarının karbon, nitrojen, oksijen ve kükürt gibi daha ağır elementlerden, ne kadarının hidrojen ve helyumdan oluştuğunu bilirsek, gezegenin ne kadar kütleye sahip olması gerektiğini hesaplayabiliriz. çekirdek," diye açıkladı JHU'dan Daniel Thorngren.

Çekirdeğin başlangıçta tahmin edilenden en az iki kat daha büyük olduğu ortaya çıktı; bu da gezegenlerin nasıl oluştuğu açısından daha mantıklı.

WASP-107 b'nin bir zamanlar göründüğü kadar gizemli olmadığı ortaya çıktı.

ASU'dan Mike Line, "Webb verileri bize WASP-107 b gibi gezegenlerin süper küçük bir çekirdek ve devasa gazlı bir zarfla tuhaf bir şekilde oluşması gerekmediğini söylüyor" diye açıkladı. "Bunun yerine, Neptün'e benzeyen, çok fazla kaya içeren ve çok fazla gaz içermeyen bir şeyi alabiliriz, sadece sıcaklığı ayarlayabiliriz ve olduğu gibi görünmesi için onu puflayabiliriz."