Planeta pozasłoneczna WASP-107b jest mniej więcej wielkości Jowisza, jednak ma masę jedynie jednej dziesiątej jego masy, co czyni ją planetą o jednej z najniższej gęstości. Przez to jest nazywana „planetą z waty cukrowej”. Od czasu jej odkrycia badacze zastanawiali się, jak taki świat mógł powstać. Wydaje się, że astronomom udało się w końcu rozwiązać zagadkę, a stało się to możliwe dzięki obserwacji tego, co dzieje się wewnątrz planety.
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 dziesiątej jego masy, co czyni ją planetą o jednej z najniższej gęstości. Świat ten znajduje się około 200 lat świetlnych od Ziemi i okrąża swoją gwiazdę w ciągu niecałych sześciu dni.
Chociaż tego typu „puszyste” planety nie są rzadkością, większość z nich jest gorętsza i bardziej masywna, a zatem ich historia jest łatwiejsza do wyjaśnienia. Ale WASP-107b wymykała się naukowcom. Jej parametry podważały nasze teorie powstawania planet. W dwóch niedawnych publikacjach, które ukazały się na łamach pisma „Nature” (DOI: 10.1038/s41586-024-07514-w; DOI: 10.1038/s41586-024-07395-z), dwa niezależne zespoły naukowców, wykorzystując dane zebrane za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST) ustaliły, jaka jest prawdziwa natura egzoplanet o bardzo małej gęstości.
Zagadka „puszystej” planety
Od kiedy odkryto WASP-107b astronomowie zastanawiali się, w jaki sposób uformował się ten świat. Na przestrzeni kilku lat powstały różne scenariusze. Jeden z nich sugerował, że świat ten ma małe jądro i ogromną atmosferę. Z pewnością wyjaśniałoby to obserwacje, chociaż nie było jasne, w jaki sposób tak mała, skalista struktura mogłaby zgromadzić tak dużą otoczkę gazową.
– Na podstawie promienia, masy, wieku i temperatury wewnętrznej sądziliśmy, że WASP-107b ma bardzo małe, skaliste jądro otoczone ogromną masą wodoru i helu – przyznał Luis Welbanks z Arizona State University (ASU), główny autor jednej z publikacji w „Nature”. – Ale trudno było nam zrozumieć, jak tak małe jądro może zgromadzić tak dużo gazu, a następnie powstrzymać się od pełnego przekształcenia się w planetę o masie Jowisza – dodał.
Z kolei gdyby WASP-107b miała większe jądro, atmosfera powinna była się skurczyć w miarę ochładzania się planety z biegiem czasu. Bez źródła ciepła umożliwiającego ponowne rozprężenie gazu planeta powinna być mniejsza. WASP-107b znajduje się znacznie bliżej swojej gwiazdy niż Merkury od Słońca. Oba obiekty dzieli odległość zaledwie jednej siódmej odległości między Merkurym a Słońcem, ale gwiazda macierzysta WASP-107b jest chłodniejsza od Słońca. W przeciwieństwie do innych światów z „waty cukrowej”, WASP-107b nie otrzymuje wystarczającej ilości światła, aby się ogrzać, a następnie rozszerzyć atmosferę.
Dopiero dane zebrane przez JWST pozwoliły rozwiązać zagadkę. Naukowcy zarejestrowali tranzyt planety na tle jej gwiazdy macierzystej. Część światła z gwiazdy jest filtrowana przez atmosferę planety. Obserwując to światło, JWST był w stanie określić niektóre składniki jej atmosfery. Jak zauważył David Sing z Johns Hopkins University (JHU), główny autor równoległego badania, które ukazało się w „Nature”, WASP-107b jest chłodniejsza od podobnych, „opuchniętych” światów, a to pozwala wykryć metan i inne związki, które mogą dostarczyć informacji na temat składu atmosfery i jej dynamiki. Informacji tych nie dałoby się pozyskać z gorętszej planety. I co zaskakujące, okazało się, że na WASP-107b metanu jest tysiąc razy mniej, niż oczekiwano.
Metan
Dane zebrane za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba w połączeniu z wcześniejszymi obserwacjami z Kosmicznego Teleskopu Hubble'a pozwoliły nie tylko na wykrycie, ale także zmierzenie ilości wielu cząsteczek, w tym pary wodnej, metanu, dwutlenku węgla, tlenku węgla, dwutlenku siarki i amoniaku. Naukowców zainteresowała przede wszystkim mała ilość metanu.
– Gorący gaz z głębi planety musi energicznie mieszać się z chłodniejszymi warstwami znajdującymi się wyżej. Metan jest niestabilny w wysokich temperaturach. Fakt, że wykryliśmy go tak niewiele, mimo że znaleźliśmy inne cząsteczki zawierające węgiel, mówi nam, że wnętrze planety musi być znacznie gorętsze, niż nam się wydawało – wyjaśnił Sing.
Uczeni sądzą, że źródłem wewnętrznego ciepła WASP-107b jest najprawdopodobniej ogrzewanie pływowe spowodowane lekko eliptyczną orbitą planety. Ponieważ odległość między gwiazdą a planetą stale się zmienia, zmienia się również przyciąganie grawitacyjne. Ten proces powoduje nieustanne rozciąganie i kurczenie się struktury planety, podgrzewając ją.
Znacznie większe jądro
Astronomowie już wcześniej sugerowali, że przyczyną „obrzęku” WASP-107b może być nagrzewanie pływowe, ale dopóki nie pojawiły się wyniki zebrane przez teleskop Webba, nie było na to żadnych dowodów. Ale to nie wszystko. Kiedy uczeni ustalili, że planeta ma wystarczającą ilość ciepła wewnętrznego, aby dokładnie wymieszać atmosferę, zdali sobie sprawę, że zebrane dane mogą również zapewnić nowy sposób oszacowania rozmiaru jądra egzoplanety.
– Jeśli wiemy, ile energii znajduje się na planecie i wiemy, jaka część planety składa się z cięższych pierwiastków, takich jak węgiel, azot, tlen i siarka, w porównaniu z ilością wodoru i helu, możemy obliczyć, ile masy musi znajdować się w jądrze – wyjaśnił Daniel Thorngren z JHU.
Dalsze analizy pokazały, że jądro WASP-107b jest co najmniej dwukrotnie masywniejsze niż pierwotnie szacowano, co ma większy sens z punktu widzenia sposobu powstawania planet.
Źródło: Space Telescope Science Institute, IFLScience, fot. NASA, ESA, CSA, R. Crawford (STScI)
