Teleskop Luar Angkasa Webb mengungkap kasus planet ekstrasurya yang membengkak ‘Marshmallow Microwave’.

Kurangnya metana secara tiba-tiba menunjukkan bahwa pemanasan pasang surut telah menggembungkan atmosfer raksasa gas hangat WASP-107 b.

Mengapa gas hangat dianggap raksasa? planet ekstrasurya WASP-107b terlalu bengkak? Dengan suhu sedang dan kepadatan sangat rendah setara dengan marshmallow yang dipanaskan dalam microwave, ia tampaknya menentang teori standar pembentukan dan evolusi planet.

Dua tim peneliti independen mengira mereka telah menemukan jawabannya. Data dari Webb, dikombinasikan dengan pengamatan sebelumnya dari Hubble, menunjukkan bahwa bagian dalam WASP-107 b seharusnya jauh lebih panas dari perkiraan sebelumnya. Temperatur tinggi yang tidak terduga, yang diperkirakan disebabkan oleh gaya pasang surut yang meregangkan planet ini seperti dempul, dapat menjelaskan bagaimana planet seperti WASP-107 b bisa begitu apung, dan mungkin memecahkan misteri lama dalam ilmu pengetahuan tentang planet ekstrasurya.

Konsep seniman ini menunjukkan seperti apa bentuk planet ekstrasurya WASP-107 b berdasarkan data terbaru yang dikumpulkan oleh Teleskop Luar Angkasa James Webb milik NASA, bersama dengan pengamatan sebelumnya dari Hubble dan teleskop berbasis ruang angkasa dan darat lainnya. WASP-107 b adalah planet ekstrasurya “Neptunus hangat” yang mengorbit bintang kecil yang relatif dingin sekitar 210 tahun cahaya dari Bumi, di konstelasi Virgo. Planet ini berukuran sekitar 80% volume Yupiter, namun massanya kurang dari 10% massa Yupiter, menjadikannya salah satu planet ekstrasurya paling kecil yang pernah diketahui. Kredit gambar: NASA, ESA, CSA, Ralph Crawford (STScI)

Teleskop Luar Angkasa Webb mengungkap kasus planet ekstrasurya yang membengkak

Mengapa planet ekstrasurya raksasa gas hangat WASP-107 b begitu membengkak? Dua tim peneliti independen kini punya jawabannya.

Data yang dikumpulkan menggunakan Teleskop Luar Angkasa James Webb milik NASA, serta pengamatan sebelumnya dari Teleskop Luar Angkasa Hubble milik NASA, menunjukkan adanya jejak jumlah metana (CH).₄) di atmosfer planet ini. Hal ini menunjukkan bahwa bagian dalam WASP-107 b pasti jauh lebih panas dan bagian intinya jauh lebih besar dari perkiraan sebelumnya.

Suhu tinggi yang tak terduga ini diperkirakan disebabkan oleh pemanasan pasang surut yang disebabkan oleh orbit planet yang sedikit tidak beraturan, dan dapat menjelaskan bagaimana WASP-107 b bisa mengembang tanpa menggunakan teori ekstrem tentang bagaimana ia terbentuk.

Hasilnya, yang dimungkinkan oleh sensitivitas Webb yang luar biasa dan kemampuan yang menyertainya untuk mengukur cahaya yang melewati atmosfer eksoplanet, mungkin menjelaskan membengkaknya puluhan eksoplanet dengan kepadatan rendah, sehingga membantu memecahkan misteri lama dalam ilmu eksoplanet.

Masalah dengan WASP-107b

Lebih dari tiga perempat ukurannya Jupiter Namun kurang dari sepersepuluh massanya bersifat “hangat”. NeptunusPlanet ekstrasurya WASP-107 b adalah salah satu planet dengan kepadatan paling rendah yang pernah diketahui. Meskipun planet yang menggembung bukanlah hal yang aneh, sebagian besar lebih panas dan masif, sehingga lebih mudah untuk dijelaskan.

“Berdasarkan radius, massa, usia, dan asumsi suhu internal, kami mengira WASP-107 b memiliki inti batuan yang sangat kecil yang dikelilingi oleh massa hidrogen dan helium yang sangat besar,” jelas Louis Wilbanks dari Arizona State University (ASU). Penulis utama makalah yang diterbitkan 20 Mei di jurnal alam. “Tetapi sulit untuk memahami bagaimana inti sekecil itu dapat menyerap begitu banyak gas dan kemudian berhenti berkembang sepenuhnya menjadi planet bermassa Jupiter.”

Spektrum transmisi ini, yang diambil dengan Teleskop Luar Angkasa Hubble dan James Webb milik NASA, menunjukkan jumlah panjang gelombang (warna) cahaya bintang berbeda yang terhalang oleh atmosfer planet ekstrasurya raksasa gas WASP-107 b.
Spektrumnya mencakup cahaya yang dikumpulkan oleh lima pengamatan terpisah menggunakan total tiga instrumen berbeda: WFC3 Hubble (0,8–1,6 mikron), NIRCam Webb (2,4–4,0 mikron dan 3,9–5,0 mikron), dan MIRI Webb (5–12 mikron). Setiap rangkaian pengukuran dilakukan dengan mengamati sistem planet-bintang selama kurang lebih 10 jam sebelum, selama, dan setelah transit saat planet bergerak melintasi permukaan bintang.
Dengan membandingkan kecerahan cahaya yang disaring melalui atmosfer planet (cahaya yang ditransmisikan) dengan cahaya bintang tanpa filter, kita dapat menghitung berapa banyak panjang gelombang yang terhalang oleh atmosfer. Karena setiap molekul menyerap kombinasi panjang gelombang yang unik, spektrum transmisi dapat digunakan untuk membatasi kelimpahan gas yang berbeda.
Spektrum ini menunjukkan bukti jelas adanya air (H2O), karbon dioksida (CO2), karbon monoksida (CO), metana (CH4), sulfur dioksida (SO2), dan amonia (NH3) di atmosfer planet, sehingga memungkinkan para peneliti memperkirakannya. atmosfer interior planet ini. Suhu dan massa inti.
Cakupan panjang gelombang dari optik hingga inframerah tengah adalah yang terluas dari spektrum transmisi planet ekstrasurya hingga saat ini, dan mencakup deteksi amonia pertama oleh teleskop ruang angkasa di atmosfer sebuah planet ekstrasurya.
Kredit gambar: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI), Luis Welbanks (ASU), Tim JWST MANATEE

Jika WASP-107 b memiliki massa lebih besar dari intinya, atmosfer seharusnya menyusut seiring dengan pendinginan planet seiring waktu sejak pembentukannya. Tanpa sumber panas untuk mengembangkan kembali gas tersebut, planet ini akan menjadi jauh lebih kecil. Meskipun WASP-107 b memiliki jarak orbit hanya 5 juta mil (sepertujuh jarak antara Merkurius dan Matahari), ia tidak menerima energi yang cukup dari bintangnya untuk membengkak sebanyak itu.

“WASP-107 b adalah target yang menarik untuk Webb karena secara signifikan lebih dingin dan massanya lebih mirip dengan Neptunus dibandingkan banyak planet dengan kepadatan rendah lainnya, seperti Jupiter panas, yang telah kami pelajari,” kata David Singh dari Universitas Jones. Universitas Hopkins (JHU), penulis utama A Studi paralel Juga diterbitkan hari ini di alam. “Sebagai hasilnya, kita harus dapat mendeteksi metana dan molekul lain yang dapat memberi kita informasi tentang sifat kimia dan dinamika internalnya yang tidak dapat kita peroleh dari planet yang lebih panas.”

Banyaknya molekul yang sebelumnya tidak terdeteksi

Radius raksasa WASP-107 b, atmosfer yang luas, dan orbit tepi menjadikannya ideal untuk spektroskopi transmisi, sebuah metode yang digunakan untuk mengidentifikasi berbagai gas di atmosfer planet ekstrasurya berdasarkan pengaruhnya terhadap cahaya bintang.

Dengan menggabungkan pengamatan dari NIRCam (kamera inframerah-dekat) Webb, MIRI (instrumen inframerah-tengah) Webb, dan WFC3 (Wide Field Camera 3) Hubble, tim Webbanks mampu membuat berbagai macam cahaya yang diserap dari 0,8 hingga 12,2 mikron. . Oleh atmosfer WASP-107 b. Dengan menggunakan NIRSpec (spektrometer inframerah dekat) Webb, tim Sing membangun spektrum independen yang mencakup 2,7 hingga 5,2 mikron.

Keakuratan data memungkinkan untuk tidak hanya mendeteksi tetapi juga mengukur kelimpahan molekul, termasuk uap air (H₂O) dan metana (CH₄), karbon dioksida (CO₂), karbon monoksida (CO), sulfur dioksida (SO₂) dan amonia (NH₃).

Spektrum transmisi ini, yang diambil dengan spektograf inframerah dekat Webb, menunjukkan jumlah panjang gelombang (warna) berbeda dari cahaya bintang inframerah dekat yang diblokir oleh atmosfer planet ekstrasurya raksasa gas WASP-107 b.
Spektrum tersebut diciptakan dengan mengamati sistem planet-bintang selama sekitar 8,5 jam sebelum, selama, dan setelah transit saat planet bergerak melintasi permukaan bintang.
Dengan membandingkan kecerahan cahaya yang disaring melalui atmosfer planet (cahaya yang ditransmisikan) dengan cahaya bintang tanpa filter, kita dapat menghitung berapa banyak panjang gelombang yang terhalang oleh atmosfer. Karena setiap molekul menyerap kombinasi panjang gelombang yang unik, spektrum transmisi dapat digunakan untuk membatasi kelimpahan gas yang berbeda.
Spektrum ini menunjukkan bukti jelas adanya air (H2O), karbon dioksida (CO2), karbon monoksida (CO), metana (CH4), dan sulfur dioksida (SO2) di atmosfer planet, sehingga memungkinkan para peneliti memperkirakan suhu internal dan massa Planet. esensi.
Kredit gambar: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI), David Sing (JHU), Tim Transiting Exoplanet NIRSpec GTO

Gas mendidih, bagian dalam panas, inti masif

Kedua spektrum tersebut menunjukkan kekurangan metana yang mengejutkan di atmosfer planet WASP-107 b: seperseribu dari jumlah yang diperkirakan berdasarkan asumsi suhu.

“Ini adalah bukti bahwa gas panas yang berasal dari dalam planet harus bercampur secara kuat dengan lapisan yang lebih dingin di atasnya,” jelas Singh. “Metana tidak stabil pada suhu tinggi. Fakta bahwa kita hanya mendeteksi sedikit sekali, meskipun kita telah mendeteksi molekul-molekul lain yang mengandung karbon, memberi tahu kita bahwa bagian dalam planet ini pasti jauh lebih panas dari yang kita duga.”

Kemungkinan sumber energi internal tambahan WASP-107 b adalah pemanasan pasang surut yang dihasilkan oleh orbitnya yang sedikit elips. Karena jarak antara bintang dan planet terus berubah selama 5,7 hari, gaya gravitasi juga berubah, menyebabkan planet mengembang dan memanas.

Para peneliti sebelumnya menyatakan bahwa pemanasan pasang surut bisa menjadi penyebab pembengkakan WASP-107 b, namun hingga hasil Webb, belum ada bukti.

Setelah dipastikan bahwa planet ini memiliki panas internal yang cukup untuk menghidupkan atmosfer sepenuhnya, tim menyadari bahwa spektrum tersebut juga dapat memberikan cara baru untuk memperkirakan ukuran inti.

“Jika kita mengetahui berapa banyak energi yang ada di planet ini, dan kita mengetahui berapa proporsi unsur-unsur yang lebih berat seperti karbon, nitrogen, oksigen, dan belerang di planet ini, dibandingkan dengan jumlah hidrogen dan helium, kita dapat menghitung berapa massa planet ini. harus punya.” Daniel Thorngren dari JHU menjelaskan.

Massa inti ternyata setidaknya dua kali lipat dari perkiraan semula, sehingga lebih masuk akal dalam kaitannya dengan bagaimana planet terbentuk.

Secara keseluruhan, WASP-107 b tidak se-misterius yang terlihat sebelumnya.

“Data Webb memberi tahu kita bahwa planet seperti WASP-107 b tidak harus terbentuk dengan cara yang aneh dengan inti yang sangat kecil dan selubung gas yang sangat besar,” jelas Mike Lane dari Arizona State University. “Sebaliknya, kita dapat mengambil objek yang mirip Neptunus, yang memiliki banyak batuan dan tidak banyak gas, cukup naikkan suhunya dan sesuaikan agar terlihat sama.”

Referensi: “Fluks panas internal yang tinggi dan inti yang besar di planet ekstrasurya Neptunus yang hangat” oleh Lewis Wilbanks, Taylor J. Bell, Thomas J. Beatty, Michael R. Lane, Kazumasa Ono, Jonathan J. Fortney, Everett Schlewein, Thomas P. Green, Emily Rauscher, Peter McGill, Matthew Murphy, Vivienne Parmentier, Yao Tang, Isaac Edelman, Sajnik Mukherjee, Lindsay S. Weiser, Pierre-Olivier Lagage, Akren Derek dan Kenneth E. Arnold, 20 Mei 2024, alam.
doi: 10.1038/s41586-024-07514-s

itu Teleskop Luar Angkasa James Webb Ini adalah observatorium ilmu luar angkasa pertama di dunia. Webb memecahkan misteri tata surya kita, melihat melampaui dunia jauh di sekitar bintang lain, dan mengeksplorasi struktur misterius dan asal usul alam semesta serta tempat kita di dalamnya. WEB adalah program yang dipimpin internasional NASA Dengan mitranya Badan Antariksa Eropa (ESA)Badan Antariksa Eropa) dan CSA (Badan Antariksa Kanada).