Jeszcze kilka dekad temu jedyne planety, o których wiedzieliśmy, istniały w naszym Układzie Słonecznym i to ukształtowało sposób, w jaki myśleliśmy o formowaniu się planet i chemii planet. Teraz, gdy zidentyfikowano tak wiele egzoplanet, mamy mnóstwo przykładów rzeczy, których nigdy wcześniej nie widzieliśmy: maleńkie Neptuny, superziemie, gorące Jowisze.
Ustalenie, co mówią nam te wszystkie nowe rzeczy, jest trochę mieszane. Stosunkowo łatwo jest określić gęstość planety i ilość energii, jaką otrzyma od swojej gwiazdy macierzystej. Ale pewna gęstość zwykle odpowiada grupie materiałów – na przykład lita skała może działać analogicznie do dużego metalicznego rdzenia i rozdętej atmosfery. A temperatura planety będzie w dużym stopniu zależała od takich rzeczy, jak skład jej atmosfery i ilość światła odbijanego przez jej powierzchnię.
Trudno więc wiedzieć, na co patrzymy, gdy widzimy dane dotyczące egzoplanety. Ale dzięki udanej operacji Kosmicznego Teleskopu Webba zaczynamy posuwać się trochę dalej. W środowym numerze czasopisma Nature naukowcy wykorzystują dane z nowego teleskopu, aby wywnioskować chemię gorącego gazowego olbrzyma i odkryć, że dzieją się rzeczy, których nie zobaczymy w naszym Układzie Słonecznym.
Duży i gorący
Cel śledztwa Egzoplaneta WASP-39b, która znajduje się około 700 lat świetlnych od Ziemi. Jest gazowym olbrzymem, ale jego masa jest znacznie mniejsza od masy Jowisza, o dwie trzecie. Mimo to jest znacznie większy niż Jowisz, z promieniem 1,7 razy większym. Największy wpływ na to ma fakt, że planeta jest gorąca. Jego promień orbity stanowi mniej niż 5 procent promienia Ziemi, a okrążenie zajmuje trochę więcej niż cztery ziemskie dni. Gwiazda, wokół której krąży, również nie jest słabym karłem; Jest mniej więcej tej samej wielkości co Słońce i ogrzewa planetę do prawie 900 stopni Celsjusza.
Dlatego WASP-39b nie przypomina żadnej z planet w naszym Układzie Słonecznym. Co sprawia, że jest to doskonały wybór do wykrywania rzeczy, których nie zobaczylibyśmy w pobliżu domu. Jest również atrakcyjnym celem do obserwacji, ponieważ jego atmosfera jest bardzo duża. Oznacza to, że gdy planeta przechodzi między swoją gwiazdą macierzystą a Ziemią, więcej światła z gwiazdy przechodzi przez atmosferę WASP-39b. Kiedy tak się stanie, chemikalia w atmosferze będą absorbować określone długości fal, tworząc sygnaturę, którą możemy odczytać, aby dowiedzieć się więcej o formowaniu się planety.
Z tych powodów WASP-39b była jedną z pierwszych planet wytypowanych do obserwacji przez teleskop Webba. Uzyskane dane wskazują, że atmosfera planety zawiera dwutlenek węgla i dwutlenek siarki.
Obie substancje chemiczne pojawiają się w ziemskiej atmosferze, więc ich obecność nie jest w tym sensie wielkim szokiem. Ale atmosfera ziemska jest środowiskiem utleniającym, więc utleniające chemikalia są kluczem. Z kolei gazowe olbrzymy są bogate w wodór, co tworzy atmosferę redukującą. Powinniśmy widzieć wodę, metan i siarkowodór, a nie dwutlenek węgla i dwutlenek siarki.
chemia planety
Aby dowiedzieć się, co się dzieje, duży zespół badawczy zaadaptował oprogramowanie modelujące reakcje chemiczne do pracy z warunkami i prekursorami, które prawdopodobnie występują w atmosferze WASP-39b. Warunki zostały stworzone przy użyciu ogólnego modelu cyrkulacji atmosfery planety, skupiając się na skrajnościach porannych i wieczornych – miejscach, w których spotykają się dzienna i nocna strona planety.
Modele te pokazały, że istnieją szlaki, w których może tworzyć się dwutlenek siarki. Ale zaczynają się od rozkładu wody przez światło ultrafioletowe z pobliskiej gwiazdy. Promienie UV rozszczepiają wodę na dwie reaktywne substancje chemiczne zwane rodnikami (w szczególności rodniki H i OH). Na początku rodniki wodorowe usuwają wodór, pozostawiając siarkę. Następnie reaguje z rodnikiem OH, utleniając go.
Modele przewidują, że dwutlenek siarki będzie bardziej rozpowszechniony rano, kiedy jest chłodniej niż po wieczornej stronie planety. Sugerują również, że powinniśmy zobaczyć prekursory, takie jak siarka i dwutlenek siarki, ale nie pozostawiłyby one śladu na świetle gwiazd przechodzącym przez atmosferę.
Jedną z najbardziej interesujących rzeczy jest to, że istnieje kilka powodów, dla których nie działa to dobrze w naszym Układzie Słonecznym. Po pierwsze, wszystkie gazowe olbrzymy znajdują się bardzo daleko w Układzie Słonecznym i nie otrzymują tak dużej ilości promieniowania ultrafioletowego. Ale większy problem polega na tym, że proces ten jest bardzo wrażliwy na stosunek ciężkich pierwiastków do wodoru w atmosferze planety (nazywany przez astronomów metalicznością planety). Nawet pięciokrotnie bardziej metaliczny niż nasze Słońce, po prostu nie tworzysz wystarczającej ilości dwutlenku siarki, aby wytworzyć sygnaturę, którą możemy wykryć z Ziemi. Potrzebujesz około 10 razy więcej metalu słonecznego, aby uzyskać dobre dopasowanie do danych Webba.
Natomiast produkcja SO2 nie wydaje się być bardzo wrażliwa na temperaturę. Tak więc WASP-39b, który jest bardzo gorący, nie wydaje się odgrywać roli w jego produkcji. Ale w gazowych olbrzymach Układu Słonecznego temperatury są na tyle niskie, że nawet gdyby powstał dwutlenek siarki, szybko skondensowałby się w cząsteczki aerozolu lub uległby reakcjom chemicznym z obecnością amoniaku. Każda z tych dwóch rzeczy zapobiegłaby widmowej sygnaturze jego obecności, którą widzimy w świetle przechodzącym przez atmosferę WASP-39b.
poza układem słonecznym
Tak więc, z tych wszystkich powodów, atmosfera WASP-39b wydaje się zawierać środowisko chemiczne, którego nie powinniśmy się spodziewać w naszym Układzie Słonecznym. Gdy zaczniemy obrazować atmosferę dodatkowych planet, ważne będzie, aby o tym pamiętać. Większość atmosfer, którym się przyglądamy, prawdopodobnie zawiera mieszaninę chemikaliów, ciśnień, temperatur i ekspozycji na promieniowanie, które różnią się od siebie, a więc mogą zawierać chemię, o której nie wiemy.
Przyroda, 2023. DOI: 10.1038 / s41586-023-05902-2 (o DOI).
