WASP-107b - planeta jak wata cukrowa, ale i jak maszyna do jej wytwarzania

Określenie planeta z waty cukrowej wzięło się z wcześniejszych szacunków masy i rozmiaru planety pozasłonecznej WASP-107b, które przekładają się na bardzo małą średnią gęstość zbliżoną do gęstości tego popularnej słodyczy. Pod tym względem WASP-107b jest podobna do innej planety WASP-193b, która również ma podobną gęstość. Jednakże ta druga znajduje się w odległości 1200 lat świetlnych, a WASP-107b jedynie 200 lat świetlnych od nas. Jest też mniej masywna i obiega chłodniejszą niż Słońce gwiazdę po nieco ciaśniejszej orbicie niż WASP-139b.

Okres orbitalny WASP-107b to jedynie 5,7 dnia (ponad 15 razy krótszy niż okres orbitalny Merkurego), co daje odległość od gwiazdy około 8,2 miliona kilometrów (średnia odległość Merkurego to 58 milionów km). Na mniej więcej taki dystans zbliża się do Słońca sonda Parker Solar Probe w najciaśniejszym punkcie swojej orbity. WASP-107b w takiej odległości znajduje się cały czas, choć tu macierzysta gwiazda jest mniejsza niż Słońce (ma tylko 0,7 jego masy) więc też mniej grzeje tę planetę.

Wyobrażenie WASP-107b na orbicie swojej gwiazdy. (fot: ESA/Hubble, NASA, and M. Kornmesser)

Dlaczego WASP-107b jest ciekawym globem?

W przypadku obserwacji planet pozasłonecznych zawsze najtrudniej wyjaśnić sensownie dlaczego dany obiekt jest ciekawy. Owszem argumenty, że to może być druga Ziemia, są lotne, ale WASP-107b w żaden sposób nie stanowi miejsca przyjaznego istnieniu życia. Jest jednak ciekawa, bo panują tam stale burze piaskowe, co wywnioskowano z obserwacji Webba, który wykrył obecność dwutlenku krzemu w atmosferze planety. Najbardziej intrygujące jest jednak określenie planeta z waty cukrowej i okazuje się, że to porównanie wskazuje na znacznie więcej podobieństw niż tylko odniesienie do gęstości.

WASP-107b określa się technicznie mianem ciepłego Neptuna, ma masę mniejszą niż jedna dziesiąta masy Jowisza, a jednocześnie zbliżoną do niego objętość (dokładnie około 80 procent objętości Jowisza). Początkowo naukowcy myśleli w następujący sposób - ta planeta musi mieć stosunkowo niewielkie skaliste jądro, które otacza ogromna masa worodu i helu. Jednakże to wyjaśnienie nie współgrało z obserwowaną temperaturą planety. Jest ona za mała, by uzasadnić powstanie tak dużej rozmiarem atmosfery wokół jądra. W poszukiwaniu odpowiedzi pomocny okazały się ponownie obserwacje Webba.

WASP-107b przypomina nie tylko watę cukrową, ale całą maszynę do jej wytwarzania

Obserwacje Webba z pomocą instrumentu NIRSpec prowadzone przez 8,5 godziny, gdy planeta przemieszczała się przed tarczą gwiazdy, pozwoliły wykorzystać światło gwiazdy do „prześwietlenie” atmosfery i dokładnej oceny jej składu. Te same obserwacje powtórzono w szerszym zakresie widma obserwując gwiazdę i planetę przez 10 godzin spektroskopami Webba (NIRSpec i MIRI) oraz Hubble'a (WFC3).

W atmosferze wykryto wodę, dwutlenek i tlenek węgla, dwutlenek siarki, amoniak i metan. Na załączonych poniżej diagramach obecności każdego związku odpowiada skok w widmie. Ten odpowiedzialny za metan okazał się tysiąc razy słabszy niż oczekiwano. Wniosek natychmiastowy - metanu musi być w atmosferze dużo mniej niż się spodziewano.

Widmo transmisyjne dla planety pokazuje jak związki w jej atmosferze pochłaniają światło gwiazdy. (fot: ESA/Webb)

Z tego wynika kolejny wniosek, gaz tworzący atmosferę ulega ciągłemu mieszaniu. Prowadzi to do jej ciągłego ogrzewania co w efekcie prowadzi do rozpadu metanu, za to zwiększa obfitość tlenków węgla. Co jednak jest źródłem wewnętrznego ciepła wystarczającego, by doprowadzić do destrukcji metanu i do porównania z maszyną do waty cukrowej?

W takiej maszynie mamy w środku cukier, który po roztopieniu wydostaje się przez mikroskopijne otwory na zewnątrz, a dzięki szybkiej rotacji zastyga w postaci pasemek tworzących puchową strukturę. To co dzieje się w gwieździe WASP-107b nie ma oczywiście wiele wspólnego z wytwarzaniem waty cukrowej, ale to obrazowe porównanie pozwala choć trochę zrozumieć jak intensywne są procesy wewnątrz tej planety.

Ostateczne wyjaśnienie - co sprawia, że WASP-107b jest tak spuchnięta

Jądro tej planety jest grzane prawdopodobnie przez oddziaływania pływowe, które mają związek z pewnymi zmianami odległości od gwiazdy w trakcie jej 5,7 dniowego okresu orbitalnego. Natomiast jego masa okazuje się dwa razy większa niż wcześniej szacowana. Cała planeta ma około 30 mas Ziemi, a w tym masa jądra to około 12 mas Ziemi.

Ogrzewanie stosunkowo niewielkiej ilości gazu otaczającego jądro, powoduje nie tylko wspomnianą eliminację metanu z atmosfery, ale także prowadzi do obserwowanego jej spuchnięcia. Bez masywnego i gorącego jądra, stygnąca atmosfera już dawno powinna ulec skurczeniu. I tak kolejna kosmiczna zagadka została rozwiązana.

Źródło: ESA/Webb