Detta är en konstnärs intryck av den jordstora, stenig exoplanet GJ 1132 b, ligger 41 ljusår bort runt en röd dvärgstjärna. Forskare som använder NASA:s rymdteleskop Hubble har hittat bevis på att denna planet kan ha förlorat sin ursprungliga atmosfär men fick en andra som innehåller en giftig blandning av väte, metan och vätecyanid. Hubble upptäckte "fingeravtrycken" av dessa gaser när moderstjärnans ljus filtrerades genom exoplanetens atmosfär. Planeten är för långt borta och för mörk för att kunna fotograferas av Hubble. Detta illustrerar vad astronomer tror som pågår i denna avlägsna värld. Under planetens smoggy, disig atmosfär, det kan finnas en tunn skorpa bara några hundra fot tjock. Smält lava under ytan sipprar ständigt upp genom vulkaniska sprickor. Gaser som sipprar genom dessa sprickor verkar ständigt fylla på atmosfären, som annars skulle skalas bort av blåsig strålning från planetens närliggande stjärna. Gravitationsdraget från en annan planet i systemet bryter sannolikt GJ 1132 b:s yta för att likna ett sprucket äggskal. Det är första gången en så kallad "sekundär atmosfär" har upptäckts på en planet utanför vårt solsystem. Kredit:NASA, ESA, och R. Hurt (IPAC/Caltech)
Runt en röd dvärgstjärna 41 ljusår bort är en jordstor, stenig exoplanet kallad GJ 1132 b. På vissa sätt, GJ 1132 b har spännande paralleller till jorden, men på andra sätt är det väldigt annorlunda. En av skillnaderna är att det är smogigt, disig atmosfär innehåller en giftig blandning av väte, metan och vätecyanid. Forskare som använder NASA:s rymdteleskop Hubble har hittat bevis för att detta inte är planetens ursprungliga atmosfär, och att den första sprängdes bort av blåsande strålning från GJ 1132 b:s närliggande moderstjärna. Den så kallade "sekundära atmosfären" tros bildas när smält lava under planetens yta kontinuerligt sipprar upp genom vulkaniska sprickor. Gaser som sipprar genom dessa sprickor verkar ständigt fylla på atmosfären, som annars också skulle avskalas av stjärnan. Detta är första gången en sekundär atmosfär har upptäckts i en värld utanför vårt solsystem.
Forskare som använder NASA:s rymdteleskop Hubble har hittat bevis på att en planet som kretsar kring en avlägsen stjärna kan ha förlorat sin atmosfär men fått en andra genom vulkanisk aktivitet.
Planeten, GJ 1132 b, antas ha börjat som en gasformig värld med en tjock vätefilt av atmosfär. Med utgångspunkt från flera gånger jordens diameter, denna så kallade "sub-Neptunus" tros snabbt ha förlorat sin ursprungliga väte- och heliumatmosfär på grund av den intensiva strålningen från det heta, ung stjärna den kretsar runt. På kort tid, en sådan planet skulle avskalas till en bar kärna ungefär lika stor som jorden. Det var då saker och ting blev intressanta.
Till astronomernas förvåning, Hubble observerade en atmosfär som enligt deras teori, är en "sekundär atmosfär" som är närvarande nu. Baserat på en kombination av direkt observationsbevis och slutledning genom datormodellering, teamet rapporterar att atmosfären består av molekylärt väte, vätecyanid, metan och innehåller även en aerosoldimring. Modellering tyder på att aerosolen är baserad på fotokemiskt producerade kolväten, liknande smog på jorden.
Forskare tolkar det nuvarande atmosfäriska vätet i GJ 1132 b som väte från den ursprungliga atmosfären som absorberades i planetens smälta magmamantel och som nu sakta släpps ut genom vulkaniska processer för att bilda en ny atmosfär. Atmosfären vi ser idag tros kontinuerligt fyllas på för att balansera vätgas som flyr ut i rymden.
"Det är superspännande eftersom vi tror att atmosfären som vi ser nu har återskapats, så det kan vara en sekundär atmosfär, " sa studiens medförfattare Raissa Estrela från NASA:s Jet Propulsion Laboratory (JPL) i södra Kalifornien. "Vi trodde först att dessa starkt bestrålade planeter kunde vara ganska tråkiga eftersom vi trodde att de förlorade sin atmosfär. Men vi tittade på befintliga observationer av denna planet med Hubble och sa, 'Å nej, det är en atmosfär där."
Fynden kan få konsekvenser för andra exoplaneter, planeter bortom vårt solsystem.
"Hur många jordlevande planeter börjar inte som jordiska? Vissa kan börja som sub-Neptunes, och de blir jordiska genom en mekanism som fotoförångar den ursprungliga atmosfären. Denna process fungerar tidigt i en planets liv, när stjärnan är varmare, ", sa huvudförfattaren Mark Swain från JPL. "Då svalnar stjärnan och planeten bara sitter där. Så du har den här mekanismen där du kan koka bort atmosfären under de första 100 miljoner åren, och sen ordnar det sig. Och om du kan återskapa atmosfären, kanske du kan behålla den."
Denna plot visar spektrumet av atmosfären i en jordstor, stenig exoplanet, GJ 1132 b. Den orange linjen representerar modellspektrumet. I jämförelse, det observerade spektrumet visas som blå prickar som representerar genomsnittliga datapunkter, tillsammans med deras felfält. Denna analys överensstämmer med att GJ 1132 b till övervägande del är en väteatmosfär med en blandning av metan och vätecyanid. Planeten har också aerosoler som orsakar spridning av ljus. Detta är första gången en så kallad "sekundär atmosfär, "som fylldes på efter att planeten förlorat sin ursprungliga atmosfär, har upptäckts i en värld utanför vårt solsystem. Kredit:NASA, ESA, och P. Jeffries (STScI)
På vissa sätt GJ 1132 b, ligger cirka 41 ljusår från jorden, har lockande paralleller till jorden, men på något sätt är det väldigt annorlunda. Båda har liknande densiteter, liknande storlekar, och liknande åldrar, är cirka 4,5 miljarder år gammal. Båda började med en vätedominerad atmosfär, och båda var varma innan de svalnade. Teamets arbete tyder till och med på att GJ 1132 b och jorden har liknande atmosfärstryck vid ytan.
Men planeterna har djupt olika bildningshistorier. Jorden tros inte vara den överlevande kärnan av en sub-Neptunus. Och jorden kretsar på bekvämt avstånd från vår sol. GJ 1132 b är så nära sin röda dvärgstjärna att den fullbordar en bana runt sin värdstjärna en gång varje och en halv dag. Denna extremt närhet håller GJ 1132 b tidvattenlåst, visar samma ansikte mot sin stjärna hela tiden – precis som vår måne håller en halvklot permanent vänd mot jorden.
"Frågan är, vad är det som håller manteln tillräckligt varm för att förbli flytande och driva vulkanism?" frågade Swain. "Det här systemet är speciellt eftersom det har möjlighet till ganska mycket tidvattenuppvärmning."
Tidvattenuppvärmning är ett fenomen som uppstår genom friktion, när energi från en planets bana och rotation sprids som värme inuti planeten. GJ 1132 b är i en elliptisk bana, och tidvattenkrafterna som verkar på den är starkast när den är närmast eller längst bort från sin värdstjärna. Minst en annan planet i värdstjärnans system drar också gravitationsmässigt på planeten.
Konsekvenserna är att planeten kläms eller sträcks ut genom denna gravitationella "pumpning". Den tidvattenuppvärmningen håller manteln flytande under lång tid. Ett närliggande exempel i vårt eget solsystem är Jupiters måne Io, som har kontinuerlig vulkanisk aktivitet på grund av en tidvattendragkamp från Jupiter och de närliggande jovianska månarna.
Med tanke på GJ 1132 b:s heta interiör, teamet tror att planeten är svalare, överliggande skorpa är extremt tunn, kanske bara hundratals fot tjocka. Det är alldeles för svagt för att stödja något som liknar vulkaniska berg. Dess platta terräng kan också vara sprucken som ett äggskal på grund av tidvattenböjning. Väte och andra gaser skulle kunna frigöras genom sådana sprickor.
NASA:s kommande rymdteleskop James Webb har förmågan att observera denna exoplanet. Webbs infraröda syn kan tillåta forskare att se ner till planetens yta. "Om det pågår magmapooler eller vulkanism, dessa områden kommer att bli varmare, " förklarade Swain. "Det kommer att generera mer utsläpp, och så de kommer att titta potentiellt på den faktiska geologiska aktiviteten - vilket är spännande!"
Teamets resultat kommer att publiceras i ett kommande nummer av The Astronomical Journal .
