JWST обнаружил водяной пар, диоксид серы и песчаные облака в атмосфере соседней экзопланеты

Группа европейских астрономов под руководством исследователей из Института астрономии К.У. Левена использовала недавние наблюдения, сделанные с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба, для изучения атмосферы близлежащей экзопланеты WASP-107b. Всматриваясь вглубь пушистой атмосферы WASP-107b, они обнаружили не только водяной пар и диоксид серы, но даже облака силикатного песка. Эти частицы находятся в динамичной атмосфере, которая демонстрирует энергичный перенос материала.

Астрономы всего мира используют расширенные возможности прибора среднего инфракрасного диапазона (MIRI) на борту космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) для проведения новаторских наблюдений экзопланет — планет, вращающихся вокруг звезд, отличных от нашего собственного Солнца. Одним из таких удивительных миров является WASP-107b, уникальная газовая экзопланета, вращающаяся вокруг звезды немного холоднее и менее массивной, чем наше Солнце.

Масса планеты аналогична массе Нептуна, но ее размеры значительно больше, чем у Нептуна, почти приближаясь к размерам Юпитера. Эта характеристика делает WASP-107b довольно «пушистой» по сравнению с газовыми планетами-гигантами в нашей Солнечной системе. Пушистость этой экзопланеты позволяет астрономам заглянуть в ее атмосферу примерно в 50 раз глубже по сравнению с глубиной исследования, достигнутой для такого гиганта Солнечной системы, как Юпитер.

Команда европейских астрономов в полной мере воспользовалась замечательной пушистостью этой экзопланеты, что позволило им заглянуть глубоко в ее атмосферу. Эта возможность открыла окно в разгадку сложного химического состава его атмосферы.

Причина этого довольно проста: сигналы или спектральные особенности гораздо более заметны в менее плотной атмосфере, чем в более компактной. Их недавнее исследование, опубликованное в журнале Nature, показывает наличие водяного пара, диоксида серы (SO2) и силикатных облаков, но, что примечательно, нет никаких следов парникового газа метана (CH4).

Динамичная атмосфера

Эти открытия дают решающее понимание динамики и химии этой очаровательной экзопланеты. Во-первых, отсутствие метана намекает на потенциально теплые недра, предлагая заманчивый взгляд на движение тепловой энергии в атмосфере планеты. Во-вторых, большим сюрпризом стало открытие диоксида серы (известного своим запахом сгоревших спичек).

Предыдущие модели предсказывали его отсутствие, но новые климатические модели атмосферы WASP-107b теперь показывают, что сама пушистость атмосферы WASP-107b способствует образованию диоксида серы в ее атмосфере. Несмотря на то, что ее родительская звезда излучает относительно небольшую долю фотонов высокой энергии из-за ее более холодной природы, эти фотоны могут проникать глубоко в атмосферу планеты благодаря ее пушистой природе. Это позволяет протекать химическим реакциям, необходимым для производства диоксида серы.

Но это еще не все, что они наблюдали. Спектральные характеристики диоксида серы и водяного пара значительно уменьшаются по сравнению с тем, какими они были бы в безоблачном сценарии. Высотные облака частично затеняют водяной пар и диоксид серы в атмосфере.

Хотя облака были обнаружены и на других экзопланетах, это знаменует собой первый случай, когда астрономы могут окончательно определить химический состав этих облаков. В этом случае облака состоят из мелких силикатных частиц — знакомого человеку вещества, встречающегося во многих частях мира в качестве основного компонента песка.

«JWST совершает революцию в характеристиках экзопланет, предоставляя беспрецедентную информацию с поразительной скоростью», — говорит ведущий автор профессор Лин Дечин из Левенского университета. «Открытие облаков песка, воды и диоксида серы на этой пушистой экзопланете инструментом MIRI JWST является важной вехой. Оно меняет наше понимание формирования и эволюции планет, проливая новый свет на нашу собственную Солнечную систему».

В отличие от земной атмосферы, где вода замерзает при низких температурах, на газообразных планетах, температура которых достигает около 1000 градусов по Цельсию, силикатные частицы могут вымерзать, образуя облака. Однако в случае WASP-107b с температурой внешней атмосферы около 500 градусов по Цельсию традиционные модели предсказывали, что эти силикатные облака должны формироваться глубже в атмосфере, где температура существенно выше. Кроме того, дожди выпадают из песчаных облаков высоко в атмосфере. Как тогда возможно, что эти песчаные облака существуют на больших высотах и ​​продолжают существовать?

По словам ведущего автора доктора Мишеля Мина: «Тот факт, что мы видим эти песчаные облака высоко в атмосфере, должен означать, что капли песчаного дождя испаряются в более глубоких и очень горячих слоях, а образующиеся в результате силикатные пары эффективно перемещаются обратно вверх, где они снова конденсируются, образуя силикатные облака. Это очень похоже на цикл водяного пара и облаков на нашей Земле, но с каплями, состоящими из песка».

Этот непрерывный цикл сублимации и конденсации посредством вертикального переноса ответственен за постоянное присутствие песчаных облаков в атмосфере WASP-107b.

Это новаторское исследование не только проливает свет на экзотический мир WASP-107b, но и расширяет границы нашего понимания экзопланетных атмосфер. Это знаменует собой важную веху в экзопланетных исследованиях, раскрывая сложное взаимодействие химических веществ и климатических условий на этих далеких мирах.

«JWST позволяет получить глубокую характеристику атмосферы экзопланеты, которая не имеет аналогов в нашей Солнечной системе. Мы открываем новые миры», — говорит ведущий автор доктор Акрена Дайрек из CEA в Париже.

Проектирование и разработка прибора MIRI

Ключевую роль в проектировании и разработке прибора MIRI сыграли бельгийские инженеры и ученые, в том числе из Центра пространственных данных Льежа (CSL), Thales Alenia Space (Шарлеруа) и OIP Sensor Systems (Ауденарде). В Институте астрономии Левенского университета исследователи-инструментальщики тщательно протестировали инструмент MIRI в специальных испытательных камерах, имитирующих космическую среду, в лабораториях Великобритании, в космических центрах НАСА Годдарда и НАСА Джонсона.

«Вместе с коллегами из Европы и США мы создавали и тестировали инструмент MIRI в течение почти 20 лет. Приятно видеть, как наш инструмент раскрывает атмосферу этой интригующей экзопланеты», — говорит специалист по приборам доктор Барт Ванденбуше из Университета Левена.

Это исследование объединяет результаты нескольких независимых анализов наблюдений JWST и представляет собой годы работы, вложенные не только в создание инструмента MIRI, но также в инструменты калибровки и анализа данных наблюдений, полученных с помощью MIRI», — говорит доктор Йерун Бауман. Института астрономии Макса Планка, Германия.