Telescopul Webb sondează chimia în atmosfera unui gigant gazos fierbinte – Ars Technica

Până acum câteva decenii, singurele planete despre care știam existau în sistemul nostru solar și asta a modelat modul în care ne gândim la formarea planetelor și la chimia planetară. Acum, cu atât de multe exoplanete identificate, avem o mulțime de exemple de lucruri pe care nu le-am mai văzut până acum: Neptuni mici, super-Pământuri, Jupiteri fierbinți.

Să ne dăm seama ce ne spun toate aceste lucruri noi este un pic cam amestecat. Este relativ ușor să determinați densitatea unei planete și câtă energie va primi de la steaua gazdă. Dar o anumită densitate corespunde de obicei unei game de materiale – roca solidă poate fi analogă cu un miez mineral mare și atmosferă umflată, de exemplu. Iar temperatura planetei va depinde foarte mult de lucruri precum compoziția atmosferei sale și de câtă lumină reflectă suprafața sa.

Deci, este dificil să știm la ce ne uităm când vedem date pe o exoplanetă. Dar odată cu funcționarea cu succes a telescopului spațial Webb, începem să ne mișcăm puțin mai departe. În numărul de miercuri al revistei Nature, oamenii de știință folosesc datele noului telescop pentru a deduce chimia gigantului gazos fierbinte și pentru a descoperi că se întâmplă lucruri pe care nu le vom vedea în propriul nostru sistem solar.

Mare și fierbinte

Scopul anchetei Exoplaneta WASP-39b, care se află la aproximativ 700 de ani lumină de Pământ. Este un gigant gazos, dar masa sa este mult mai mică decât cea a lui Jupiter, cu două treimi. În ciuda acestui fapt, este mult mai mare decât Jupiter, cu o rază de 1,7 ori mai mare decât aceasta. Cel mai mare contributor la aceasta este faptul că planeta este fierbinte. Raza sa orbitală este mai mică de 5% din raza Pământului și este nevoie de puțin mai mult de patru zile Pământului pentru a finaliza o orbită. Nici steaua pe care o orbitează nu este o pitică slabă; Are aproximativ aceeași dimensiune ca Soarele și încălzește planeta la aproape 900 de grade Celsius.

Prin urmare, WASP-39b este diferit de oricare dintre planetele din sistemul nostru solar. Ceea ce o face o alegere excelentă pentru a descoperi lucruri pe care nu le-am vedea aproape de casă. Este, de asemenea, o țintă atractivă pentru observații, deoarece atmosfera sa este atât de mare. Aceasta înseamnă că, pe măsură ce planeta trece între steaua gazdă și Pământ, mai multă lumină de la stea va trece prin atmosfera lui WASP-39b. Când se întâmplă acest lucru, substanțele chimice din atmosferă vor absorbi anumite lungimi de undă, creând o semnătură pe care o putem citi pentru a afla mai multe despre formarea planetei.

Din aceste motive, WASP-39b a fost una dintre primele planete vizate pentru observare de către telescopul Webb. Datele obținute indică faptul că atmosfera planetei conține dioxid de carbon și dioxid de sulf.

Ambele substanțe chimice apar în atmosfera Pământului, așa că prezența lor nu este un șoc în acest sens. Dar atmosfera Pământului este un mediu oxidant, așa că substanțele chimice oxidante sunt cheia. În schimb, giganții gazoși sunt bogați în hidrogen, ceea ce creează o atmosferă reducătoare. Ar trebui să vedem apă, metan și hidrogen sulfurat, nu dioxid de carbon și dioxid de sulf.

chimia planetei

Pentru a afla ce se întâmplă, o mare echipă de cercetare a adaptat un software care modelează reacțiile chimice pentru a funcționa cu condiții și precursori care ar putea fi prezenți în atmosfera lui WASP-39b. Condițiile au fost create folosind un model de circulație generală a atmosferei planetei, concentrându-se pe extremele de dimineață și de seară – locațiile în care părțile de zi și de noapte ale planetei se întâlnesc.

Aceste modele au arătat că există căi în care se poate forma dioxid de sulf. Dar ele încep cu descompunerea apei de către lumina ultravioletă de la steaua din apropiere. Razele UV împart apa în două substanțe chimice reactive numite radicali (radicali H și OH, în special). La început, radicalii de hidrogen elimină hidrogenul, lăsând în urmă sulful. Apoi reacționează cu radicalul OH, oxidându-l.

Modelele prevăd că dioxidul de sulf va fi mai răspândit dimineața, care este mai rece decât partea de seară a planetei. Ei sugerează, de asemenea, că ar trebui să vedem precursori precum sulful și dioxidul de sulf, dar aceștia nu ar lăsa o amprentă asupra luminii stelelor care trece prin atmosferă.

Unul dintre cele mai interesante lucruri despre acest lucru este că există mai multe motive pentru care acest lucru nu funcționează bine în sistemul nostru solar. În primul rând, toți giganții gazoși sunt foarte departe în sistemul solar și nu primesc atât de multă radiație ultravioletă. Dar problema mai mare este că procesul este foarte sensibil la raportul dintre elementele grele și hidrogenul din atmosfera unei planete (denumită de astronomi metalicitatea planetei). Chiar și la cinci ori mai metalic decât soarele nostru, pur și simplu nu faci suficient dioxid de sulf pentru a produce o semnătură pe care o putem detecta de pe Pământ. Aveți nevoie de aproximativ 10 ori mai mult metal solar pentru a produce o potrivire bună la datele lui Webb.

Prin contrast, producția de SO2 nu pare a fi foarte sensibilă la temperatură. Deci WASP-39b fiind extrem de fierbinte nu pare să joace un rol în producția sa. Însă, în giganții gazoși ai sistemului solar, temperaturile sunt suficient de scăzute încât, chiar dacă s-ar forma dioxid de sulf, acesta s-ar condensa rapid în particule de aerosoli sau ar suferi reacții chimice cu prezența amoniacului. Oricare dintre aceste două lucruri ar împiedica tipul de semnătură spectrală a prezenței sale pe care o vedem în lumina care a trecut prin atmosfera lui WASP-39b.

în afara sistemului solar

Deci, din toate aceste motive, atmosfera lui WASP-39b pare să găzduiască un mediu chimic pe care nu ar trebui să ne așteptăm să îl întâlnim în propriul nostru sistem solar. Pe măsură ce începem să imaginăm atmosferele planetelor suplimentare, va fi important să ținem cont de acest lucru. Majoritatea atmosferelor pe care le analizăm probabil au un amestec de substanțe chimice, presiuni, temperaturi și expuneri la radiații care sunt diferite unele de altele și, prin urmare, pot găzdui chimie despre care nu știm.

Natura, 2023. DOI: 10.1038 / s41586-023-05902-2 (despre DOI).