El gas del exoplaneta «malvavisco de microondas» hinchado del telescopio espacial Web se agrieta

El gigante de gas caliente WASP-107 b, conocido por su densidad inusualmente baja y temperatura moderada, puede tener su atmósfera hinchada debido al calor de las mareas que calienta su interior mucho más de lo que se pensaba anteriormente. (Concepto del artista). Crédito: SciTechDaily.com

Una sorprendente omisión de metano sugiere que el calentamiento de las mareas ha impulsado la atmósfera del gigante gaseoso WASP-107 b.

¿Por qué es un gigante gaseoso caliente? extraterrestre WASP-107 b, ¿demasiado hinchado? Con una temperatura moderada y una densidad extremadamente baja comparable a la de un malvavisco de microondas, parece desafiar las teorías estándar sobre la formación y evolución de los planetas.

Dos grupos independientes de investigadores creen haberlo descubierto. Los datos de Webb, combinados con las observaciones anteriores del Hubble, muestran que el interior de WASP-107 b debe estar mucho más caliente de lo estimado anteriormente. La temperatura inesperadamente alta, que se cree que es causada por fuerzas de marea que estiran el planeta como una masilla ridícula, podría explicar cómo planetas como WASP-107 b pueden ser tan flotantes, resolviendo un misterio de larga data en la ciencia de los exoplanetas.

Exoplaneta gigante gaseoso cálido WASP-107 b

El concepto de este artista muestra cómo podría verse el exoplaneta WASP-107 b basándose en datos recientes recopilados por el Telescopio Espacial James Webb de la NASA, junto con observaciones previas del Hubble y otros telescopios espaciales y terrestres. WASP-107 b es un exoplaneta «Neptuno caliente» que orbita una estrella pequeña y fría a unos 210 años luz de la Tierra en la constelación de Virgo. El planeta tiene aproximadamente el 80% del tamaño de Júpiter en volumen, pero tiene menos del 10% de la masa de Júpiter, lo que lo convierte en uno de los exoplanetas menos densos conocidos. Crédito: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI)

El telescopio espacial Web resuelve el caso de un exoplaneta inflado

¿Por qué el exoplaneta gigante gaseoso WASP-107 b está tan hinchado? Dos equipos de investigación independientes tienen ahora la respuesta.

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Los datos recopilados utilizando el Telescopio Espacial James Webb de la NASA, combinados con observaciones anteriores del Telescopio Espacial Hubble de la NASA, muestran sorprendentemente poco metano (CH).4) en la atmósfera del planeta. Esto indica que el interior de WASP-107 b debe estar significativamente más caliente y el núcleo mucho más grande de lo estimado anteriormente.

Se cree que la temperatura inesperadamente alta es el resultado del calentamiento de las mareas causado por la órbita ligeramente circular del planeta, y podría explicar cómo WASP-107 b se eleva sin recurrir a teorías radicales sobre cómo se formó.

Los resultados, posibles gracias a la extraordinaria sensibilidad y capacidad de la red para medir la luz que pasa a través de las atmósferas de los exoplanetas, podrían explicar las protuberancias de docenas de exoplanetas de baja densidad, ayudando a resolver un misterio de larga data en la ciencia de los exoplanetas.

Problema con WASP-107b

Más de las tres cuartas partes del volumen Jueves Pero menos de una décima parte de la masa, «caliente Neptuno«El exoplaneta WASP-107 b es uno de los planetas menos densos conocidos. Si bien los planetas abultados no son infrecuentes, la mayoría son más calientes y masivos, por lo que es más fácil de explicar.

«Basándonos en su radio, masa, edad y temperatura interna, pensábamos que WASP-107 b tiene un núcleo rocoso muy pequeño rodeado de hidrógeno y helio», explicó Louise Wellbanks de la Universidad Estatal de Arizona (ASU). autor principal de un artículo publicado el 20 de mayo en la revista Naturaleza. «Pero era difícil entender cómo un núcleo tan pequeño podía absorber tanto gas y luego dejar de crecer por completo hasta convertirse en un planeta con la masa de Júpiter».

Espectro de transmisión del exoplaneta gigante gaseoso cálido WASP-107 b

Captado con los telescopios espaciales Hubble y James Webb de la NASA, este espectro de transmisión muestra la cantidad de diferentes longitudes de onda (colores) de luz estelar bloqueada por la atmósfera del exoplaneta gigante gaseoso WASP-107 b.
El espectro incluye un total de luz recopilada en cinco observaciones separadas utilizando tres instrumentos diferentes: WFC3 de Hubble (0,8 a 1,6 μm), NIRCam de Webb (2,4 a 4,0 μm y 3,9 a 5,0 μm) y MIRI de Webb (5 a 12 μm). Cada medición se realizó observando el sistema planeta-estrella aproximadamente 10 horas antes, durante y después del tránsito mientras el planeta se movía a través de la cara de la estrella.
Comparando el brillo de la luz filtrada a través de la atmósfera del planeta (luz transmitida) con la luz estelar no filtrada, se puede calcular la cantidad de cada longitud de onda bloqueada por la atmósfera. Debido a que cada molécula absorbe una combinación única de longitudes de onda, el espectro de transmisión puede usarse para controlar la abundancia de varios gases.
El espectro muestra evidencia clara de agua (H2O), dióxido de carbono (CO2), monóxido de carbono (CO), metano (CH4), dióxido de azufre (SO2) y amoníaco (NH3) en la atmósfera del planeta, lo que permite a los investigadores estimar el interior. Temperatura y masa del núcleo.
Esta cobertura de longitud de onda, desde óptica hasta infrarrojo medio, es la más amplia de cualquier espectro de transmisión de exoplanetas hasta la fecha e incluye la primera detección de amoníaco en la atmósfera de un exoplaneta mediante un telescopio espacial.
Crédito: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI), Luis Welbanks (ASU), equipo JWST MANATEE

Si WASP-107 b, en cambio, tiene más masa en el núcleo, la atmósfera debe haberse contraído a medida que el planeta se enfrió con el tiempo desde su formación. Sin una fuente de calor para que el gas se vuelva a expandir, el planeta tendría que ser muy pequeño. Aunque WASP-107 b tiene una distancia orbital de sólo 5 millones de millas (un séptimo de la distancia entre Mercurio y el Sol), no recibe suficiente energía de su estrella.

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«WASP-107 b es un objetivo particularmente interesante para Webb porque es significativamente más frío y tiene una masa más parecida a la de Neptuno que muchos planetas de baja densidad, como los Júpiter calientes. Universidad Hopkins (JHU), autor principal A. Un estudio paralelo También publicado hoy Naturaleza. «Como resultado, podemos detectar metano y otras moléculas que pueden darnos información sobre su química y dinámica interna que no podemos obtener de un planeta caliente».

Una gran cantidad de moléculas previamente indetectables

El radio gigante, la atmósfera extendida y la órbita de borde de WASP-107 b lo hacen ideal para la espectroscopia de transmisión, que puede usarse para identificar varios gases en la atmósfera de un exoplaneta en función de cómo afecta la luz de las estrellas.

Combinando observaciones de la NIRCam (cámara de infrarrojo cercano) de Webb, la MIRI (instrumento de infrarrojo medio) de Webb y la WFC3 (cámara de campo amplio 3) de Hubble, el equipo de Welbanks pudo crear un amplio espectro de luz absorbida de 0,8 a 12,2 micrón. por la atmósfera de WASP-107 b. Utilizando el NIRSpec (espectrógrafo de infrarrojo cercano) de Webb, el equipo de Singh produjo un espectro independiente que abarca de 2,7 a 5,2 micrones.

La precisión de los datos permite no sólo detectar sino también medir una gran cantidad de moléculas, incluido el vapor de agua (H).2O), metano (CH4), dióxido de carbono (CO2), monóxido de carbono (CO), dióxido de azufre (SO2), y amoníaco (NH3)

Espectro de transmisión del exoplaneta gigante gaseoso WASP-107 b (Web NIRSpec)

Este espectro de transmisión, capturado utilizando el NIRSpec (espectrómetro de infrarrojo cercano) de Webb, muestra la cantidad de diferentes longitudes de onda (colores) de luz estelar del infrarrojo cercano bloqueada por la atmósfera del exoplaneta gigante gaseoso WASP-107 b.
El espectro se creó observando el sistema planeta-estrella aproximadamente 8,5 horas antes, durante y después de que el planeta cruza la cara de la estrella.
Comparando el brillo de la luz filtrada a través de la atmósfera del planeta (luz transmitida) con la luz estelar no filtrada, se puede calcular la cantidad de cada longitud de onda bloqueada por la atmósfera. Debido a que cada molécula absorbe una combinación única de longitudes de onda, el espectro de transmisión puede usarse para controlar la abundancia de varios gases.
El espectro muestra evidencia clara de agua (H2O), dióxido de carbono (CO2), monóxido de carbono (CO), metano (CH4) y dióxido de azufre (SO2) en la atmósfera del planeta. Cor.
Crédito: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI), David Singh (JHU), Equipo de exoplanetas en tránsito NIRSpec GTO

Estuche con ruedas, interior caliente y núcleo macizo

Ambos espectros muestran la ausencia de metano en la atmósfera de WASP-107 b: una milésima parte de la cantidad esperada según su temperatura.

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«Esto es evidencia de que el gas caliente de las profundidades del planeta debe mezclarse vigorosamente con las capas más frías de arriba», explicó Singh. “El metano es inestable a altas temperaturas. Sin embargo, el hecho de que hayamos encontrado tan pocas moléculas portadoras de carbono sugiere que el interior del planeta debe estar significativamente más caliente de lo que pensábamos.

La fuente de energía interna adicional de WASP-107 b es el calentamiento de las mareas causado por su órbita ligeramente elíptica. A medida que la distancia entre la estrella y el planeta continúa cambiando a lo largo de su órbita de 5,7 días, la fuerza gravitacional también cambia, estirando y calentando el planeta.

Los investigadores habían propuesto previamente que el calentamiento de las mareas podría ser responsable del hinchamiento de WASP-107 b, pero hasta que llegaron los resultados de Webb, no había pruebas.

Una vez que establecieron que el planeta tenía suficiente calor interno para reemplazar completamente la atmósfera, los equipos se dieron cuenta de que los espectros podrían proporcionar una nueva forma de estimar el tamaño del núcleo.

«Si sabemos cuánta energía tiene el planeta, los elementos más pesados ​​como el carbono, el nitrógeno, el oxígeno y el azufre son proporcionales al planeta, y si sabemos cuánto hidrógeno y helio hay, podemos calcular cuánta masa debe tener». estar en el centro», explicó Daniel Thorngren de JHU.

Resulta que el núcleo es al menos el doble de grande de lo que se estimó inicialmente, lo que tiene más sentido en cuanto a cómo se forman los planetas.

En conjunto, WASP-107 b no es tan misterioso como parecía.

«Los datos de Webb nos dicen que planetas como WASP-107 b no tienen por qué formarse de alguna manera extraña, con un núcleo súper pequeño y una gran envoltura de gas», explicó Mike Line de ASU. «En lugar de eso, podríamos tomar algo como Neptuno, con muchas rocas y poco gas, aumentar la temperatura y bajarla para ver cómo es».

Referencia: Louise Wellbanks, Taylor J. Bell, Thomas G. Beatty, Michael R. Línea, Kazumasa Ono, Jonathan J. Fortney, Everett Sclavin, Thomas B. Greene, Emily Rauscher, Peter McGill, Matthew Murphy, Vivian Parmentier, Yao Tang, Isaac Edelman, Saknik Mukherjee, Lindsey S. Weiser, Pierre-Olivier Equipaje, Acreen Direk y Kenneth E. Arnold, mayo de 2020, 2020 Naturaleza.
DOI: 10.1038/s41586-024-07514-w

El El telescopio espacial James Webb Es el principal laboratorio de ciencia espacial del mundo. Webb resuelve los misterios de nuestro sistema solar, mira más allá, hacia mundos distantes alrededor de otras estrellas y explora las misteriosas estructuras y orígenes de nuestro universo y nuestro lugar en él. La Web es un proyecto internacional. NASA Con sus socios, la ESA (Agencia Espacial Europea) y CSA (Agencia Espacial Canadiense).

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