Obserwacje wykonane za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba pokazały, że w atmosferze egzoplanety WASP-107b znajduje się para wodna i dwutlenek siarki. Co więcej, astronomowie znaleźli tam też chmury składające się z piasku.
WASP-107b to duża, opuchnięta planeta, która została odkryta w 2017 roku. Krąży wokół małej, jasnej gwiazdy w gwiazdozbiorze Panny, nieco mniejszej i nieco mniej masywnej niż nasze Słońce. Jest mniej więcej wielkości Jowisza, jednak ma znacznie mniejszą masę, sięgającą jedynie jednej ósmej jego masy, co czyni ją planetą o jednej z najniższej gęstości. Przez to jest nazywana „planetą z waty cukrowej”. Świat ten znajduje się około 200 lat świetlnych od Ziemi i okrąża swoją gwiazdę w ciągu niecałych sześciu dni.
Najnowsze obserwacje wykonane przy pomocy teleskopu Webba dają bezprecedensowy wgląd w ten dziwny i egzotyczny świat, w którym występują chmury składające się z krzemionki, czyli głównego składnika piasku, piekielne temperatury i porywiste wiatry. Wyniki i opis obserwacja ukazał się na łamach pisma „Nature” (DOI: 10.1038/s41586-023-06849-0).
Gdyby porównać WASP-107b do planet w naszym Układzie Słonecznym, to zapewne byłby to któryś z gazowych olbrzymów. Ale dokładnie takie planety w naszym systemie nie ma. WASP-107b ma rozmiary podobne do Jowisza, ale znacznie mniejszą masę, przypominającą masę Neptuna. Innymi słowy, świat ten jest duży i lekki. Ta cecha pozwoliła astronomom zajrzeć w atmosferę planety mniej więcej 50 razy głębiej w porównaniu z głębokością eksploracji osiągniętą w przypadku giganta Układu Słonecznego, takiego jak Jowisz.
To umożliwiło odkrycie złożonego składu chemicznego atmosfery planety. Astronomowie znaleźli tam ślady obecności pary wodnej, dwutlenku siarki i chmur złożonych z piasku. We wcześniejszych badaniach WASP-107b prowadzonych przy pomocy Kosmicznego Teleskopu Hubble'a uczeni szukali metanu, ale zamiast tego znaleźli hel (więcej na ten temat w tekście: Wykryto hel w atmosferze planety pozasłonecznej). Metanu, będącego gazem cieplarnianym, nie znaleziono, zarówno w tamtych, jak i obecnych badaniach.
Odkrycia te dostarczają kluczowych informacji na temat dynamiki i składu chemicznego atmosfery tej egzoplanety. Brak metanu wskazuje na potencjalnie ciepłe wnętrze. Dużym zaskoczeniem było też odkrycie dwutlenku siarki. Poprzednie modele przewidywały jego brak, ale nowe modele klimatyczne atmosfery WASP-107b pokazują teraz, że sama „puszystość” WASP-107b sprzyja tworzeniu się dwutlenku siarki w jej atmosferze. Mimo że gwiazda macierzysta WASP-107b emituje stosunkowo niewielką część wysokoenergetycznych fotonów, to te mogą dotrzeć w głąb atmosfery planety dzięki jej unikalnym cechom. Umożliwia to zajście reakcji chemicznych niezbędnych do wytworzenia dwutlenku siarki.
Ale to nie wszystko, co zaobserwowali. Dostrzegli też gęste chmury. Jest to pierwszy przypadek, w którym astronomowie mogli określić skład chemiczny tych obłoków. W tym przypadku chmury składają się z drobinek krzemionki, substancji występującej w obfitości na naszej planecie.
- JWST rewolucjonizuje charakterystykę egzoplanet, dostarczając niespotykanych dotąd informacji z niezwykłą szybkością – powiedziała główna autorka publikacji prof. Leen Decin z KU Leuven. - Odkrycie chmur piasku, wody i dwutlenku siarki na tej „puszystej” egzoplanecie przez instrument MIRI należący do JWST to kamień milowy. Zmienia nasze rozumienie powstawania i ewolucji planet, rzucając nowe światło na nasz Układ Słoneczny – dodała.
W przeciwieństwie do atmosfery ziemskiej, gdzie woda zamarza w niskich temperaturach, na planetach gazowych osiągających temperatury około 1000 stopni Celsjusza, to krzemiany mogą zamarzać, tworząc chmury. Jednak w przypadku WASP-107b, gdzie temperatura w atmosferze zewnętrznej wynosi około 500 stopni Celsjusza, tradycyjne modele przewidywały, że chmury krzemionki powinny tworzyć się głębiej w atmosferze, gdzie temperatury są znacznie wyższe.
Atmosfera planety, jak ustalili naukowcy, przypomina obieg wody na Ziemi, tyle że z piaskiem w roli głównej. Z gorętszych, niższych poziomów, o temperaturze bliskiej 1000 stopni Celsjusza, opary krzemionki unoszą się, ochładzają i tworzą drobinki piasku. W końcu chmury tego pyłu stają się na tyle gęste, że zaczną opadać z powrotem do niższych warstw atmosfery. Poniżej pewnego poziomu piasek sublimuje z powrotem w postać pary, kończąc cykl.
- To, że wysoko w atmosferze widzimy te chmury z piasku, musi oznaczać, że krople piaskowego deszczu parują w głębszych, bardzo gorących warstwach, a powstałe opary krzemionki są skutecznie transportowane do góry, gdzie ponownie kondensują, tworząc chmury. To bardzo podobne do obiegu pary wodnej i chmur na Ziemi, tylko, że krople składają się są z piasku – wyjaśnił dr Michiel Min, współautor publikacji.
To właśnie ten ciągły cykl sublimacji i kondensacji w wyniku transportu pionowego jest odpowiedzialny za trwałą obecność chmur z piasku w atmosferze WASP-107b. Uczeni ustalili też, że drobinki piasku przemieszają się z ogromną prędkością rzędu kilku kilometrów na sekundę.
Źródło: KU Leuven, fot. Illustration: LUCA School of Arts, Belgium/ Klaas Verpoest (visuals), Johan Van Looveren (typography). Science: Achrène Dyrek (CEA and Université Paris Cité, France), Michiel Min (SRON, the Netherlands), Leen Decin (KU Leuven, Belgium) / European MIRI EXO GTO team / ESA / NASA
