«Джеймс Уэбб» нашел на супернептуне раскаленные облака в «неположенном месте»

В 2017 году в системе оранжевого карлика, приблизительно в 200 световых годах от Земли, астрономы открыли экзопланету юпитерианских размеров WASP-107b. Оказалось, объект чуть массивнее Нептуна (1,8 массы Нептуна, или около 30 масс Земли), а его радиус немного не дотягивает до радиуса Юпитера (0,94 радиуса Юпитера). Такие характеристики указали на то, что плотность WASP-107b должна быть значительно ниже плотности любой известной экзопланеты — 0,134 грамма на кубический сантиметр, что в разы меньше плотности воды. 

WASP-107b вращается вокруг звезды, немного более холодной и менее массивной, чем наше Солнце, на расстоянии 0,06 астрономической единицы (или почти в девяти миллионах километрах). Полный оборот вокруг родительского светила объект делает за 5,7 земных суток. 

Компьютерное моделирование показало, что экзопланета, вероятно, обладает ядром, с массой не менее 4,6 массы Земли, а также сильно «распухшей» газовой оболочкой из гелия и водорода. По расчетам, масса этой оболочки должна составлять 85 процентов от общей массы планеты. Но из-за близкого расположения к своей звезде экзопланета теряет атмосферу под действием ультрафиолетового излучения. Скорость потери варьируется от 0,1 до четырех процентов от общей массы за миллиард лет, при этом у планеты образуется вытянутый кометоподобный хвост.

Отметим, что наблюдения за WASP-107b проводили еще до запуска космического телескопа NASA «Джеймс Уэбб», который открыл новую эру в астрономии. 

Группа ученых из Левенского католического университета (Бельгия) воспользовалась набором данных «Уэбба», которые он получил с помощью инструмента MIRI, позволяющего вести наблюдения в среднем и длинном инфракрасном диапазонах волн, чтобы лучше изучить атмосферу WASP-107b.

В работе, опубликованной в журнале Nature, астрономы рассказали, что им удалось обнаружить в газовой оболочке супернептуна водяной пар, сернистый газ, или диоксид серы (SO2), а также силикаты — основной компонент песка на Земле. 

«Относительно низкая плотность экзопланеты, а следовательно, и ее „раздутость“, позволили нам в 50 раз глубже „проникнуть“ в ее атмосферу, чем, скажем, это можно было бы провернуть с Юпитером. Причина довольно проста: спектры экзопланеты гораздо заметнее в менее плотной атмосфере, чем в плотной», — пояснила один из авторов исследования Лин Дечин (Leen Decin). 

Само по себе открытие химических элементов в атмосферах экзопланет, в том числе тех, которые важны для возникновения жизни, давно не новость. С запуском обсерватории «Уэбб» такие открытия только участились. Но ученых удивило другое. 

Во-первых, сернистый газ. Его находили и раньше в атмосферах экзопланет, но лишь на горячих газовых гигантах со средней температурой 927 градусов Цельсия. Температура на WASP-107b — менее 450 градусов, а это значит, что экзопланета считается слишком «холодной», чтобы в ее атмосфере сформировался сернистый газ. Компьютерные модели предсказывали полное его отсутствие на WASP-107b.

Тогда почему он там есть? Одно из возможных объяснений, предложенное Дечин и ее коллегами, заключается в том, что образованию этого химического соединения способствует сама «распухшая» газовая оболочка гиганта. 

Родительская звезда экзопланеты относительно холодная — значит, светило испускает небольшое количество высокоэнергетических фотонов. Однако эти фотоны могут глубоко проникать в атмосферу экзопланеты из-за ее низкой плотности и «раздутости», после чего вызывать химические реакции, которые необходимы для получения сернистого газа.

Еще одним «сюрпризом» для ученых стали силикатные облака в верхних слоях атмосферы WASP-107b.

На Земле вода замерзает при низких температурах. На горячих газовых гигантах некоторые химические элементы, в том числе силикаты, могут замерзать, образуя облака, при совсем других условиях. Например, это наблюдается у экзопланет с температурой примерно 1000 градусов. В случае с WASP-107b, где температура чуть ниже 450 градусов, модели предсказывали, что такие облака должны формироваться достаточно глубоко в атмосфере, но бельгийские астрономы «увидели» их на больших высотах. Как так произошло? 

Исследователи полагают, что силикаты испаряются в более глубоких и очень горячих слоях атмосферы, а затем паром поднимаются вверх, где прохладнее. Там он конденсируется, и появляются новые облака. После выпадают дожди, и процесс повторяется: он во многом подобен тому, что происходит на Земле с круговоротом воды. Такой непрерывный цикл сублимации и конденсации с помощью вертикального переноса, возможно, и служит причиной постоянного присутствия силикатных облаков в верхней атмосфере WASP-107b.

Авторы отметили, что их исследование не только проливает свет на необычный мир супернептуна, но и расширяет границы представлений об атмосферах таких объектов. Эти результаты могли бы улучшить модели формирования и эволюции экзопланет, основанные на сложных взаимодействиях химических веществ и климатических условий на таких далеких мирах.