Varför är den varma gasjätten exoplaneten WASP-107 b så pösig? Två oberoende team av forskare har ett svar.
Data som samlats in med NASA:s rymdteleskop James Webb, i kombination med tidigare observationer från NASA:s rymdteleskop Hubble, visar förvånansvärt lite metan (CH4 ) i planetens atmosfär, vilket indikerar att det inre av WASP-107 b måste vara betydligt varmare och kärnan mycket mer massiv än tidigare uppskattat.
Den oväntat höga temperaturen tros vara ett resultat av tidvattenuppvärmning orsakad av planetens något icke-cirkulära bana, och kan förklara hur WASP-107 b kan blåsas upp så mycket utan att tillgripa extrema teorier om hur den bildades.
Resultaten, som möjliggjordes av Webbs extraordinära känslighet och medföljande förmåga att mäta ljus som passerar genom exoplanetatmosfärer, kan förklara svullnaden hos dussintals exoplaneter med låg densitet, och hjälpa till att lösa ett mångårigt mysterium inom exoplanetvetenskap.
Med mer än tre fjärdedelar av Jupiters volym men mindre än en tiondel av massan är den "varma Neptunus" exoplaneten WASP-107 b en av de minst täta planeterna som är kända. Även om pösiga planeter inte är ovanliga, är de flesta hetare och mer massiva och därför lättare att förklara.
"Baserat på dess radie, massa, ålder och antagna inre temperatur, trodde vi att WASP-107 b hade en mycket liten, stenig kärna omgiven av en enorm massa av väte och helium," förklarade Luis Welbanks från Arizona State University (ASU), huvudförfattare på en tidning som publicerades idag i Nature . "Men det var svårt att förstå hur en så liten kärna kunde sopa upp så mycket gas och sedan sluta växa helt till en planet med Jupitermassa."
Om WASP-107 b istället har mer av sin massa i kärnan borde atmosfären ha krympt när planeten svalnat med tiden sedan den bildades. Utan en värmekälla för att återexpandera gasen borde planeten vara mycket mindre. Även om WASP-107 b har ett omloppsavstånd på bara 5 miljoner miles (en sjundedel av avståndet mellan Merkurius och solen), får den inte tillräckligt med energi från sin stjärna för att bli så uppblåst.
"WASP-107 b är ett så intressant mål för Webb eftersom det är betydligt svalare och mer Neptunusliknande i massa än många av de andra lågdensitetsplaneterna, de heta Jupiters, som vi har studerat", säger David Sing från Johns. Hopkins University (JHU), huvudförfattare till en parallell studie som också publicerades idag i Nature .
"Som ett resultat borde vi kunna upptäcka metan och andra molekyler som kan ge oss information om dess kemi och inre dynamik som vi inte kan få från en varmare planet."
WASP-107 b:s gigantiska radie, förlängda atmosfär och omloppsbana gör den idealisk för transmissionsspektroskopi, en metod som används för att identifiera de olika gaserna i en exoplanetatmosfär baserat på hur de påverkar stjärnljuset.
Genom att kombinera observationer från Webbs NIRCam (Near-Infrared Camera), Webbs MIRI (Mid-Infrared Instrument) och Hubbles WFC3 (Wide Field Camera 3), kunde Welbanks team bygga ett brett spektrum av 0,8 till 12,2 mikron absorberat ljus av WASP-107 b:s atmosfär. Med hjälp av Webbs NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) byggde Sings team ett oberoende spektrum som täcker 2,7 till 5,2 mikron.
Precisionen i data gör det möjligt att inte bara upptäcka, utan faktiskt mäta mängden av en mängd molekyler, inklusive vattenånga (H2 O), metan (CH4 ), koldioxid (CO2 ), kolmonoxid (CO), svaveldioxid (SO2 ) och ammoniak (NH3 ).
Båda spektra visar en överraskande brist på metan i WASP-107 b:s atmosfär:en tusendel av förväntad mängd baserat på dess antagna temperatur.
"Detta är bevis på att het gas från djupet av planeten måste blandas kraftigt med de kallare lagren högre upp", förklarade Sing. "Metan är instabilt vid höga temperaturer. Det faktum att vi upptäckte så lite, även om vi upptäckte andra kolhaltiga molekyler, säger oss att planetens inre måste vara betydligt varmare än vi trodde."
En trolig källa till WASP-107 b:s extra interna energi är tidvattenuppvärmning orsakad av dess något elliptiska bana. När avståndet mellan stjärnan och planeten förändras kontinuerligt under den 5,7 dagar långa omloppsbanan, förändras också gravitationskraften, vilket sträcker ut planeten och värmer upp den.
Forskare hade tidigare föreslagit att tidvattenuppvärmning kunde vara orsaken till WASP-107 b:s svullnader, men tills Webb-resultaten var in fanns det inga bevis.
När de väl konstaterat att planeten har tillräckligt med inre värme för att grundligt skaka upp atmosfären insåg teamen att spektra också kunde ge ett nytt sätt att uppskatta storleken på kärnan.
"Om vi vet hur mycket energi som finns i planeten, och vi vet hur mycket av planeten som är tyngre grundämnen som kol, kväve, syre och svavel, jämfört med hur mycket som är väte och helium, kan vi beräkna hur mycket massa som måste finnas i kärnan”, förklarade Daniel Thorngren från JHU.
Det visar sig att kärnan är minst dubbelt så massiv som ursprungligen uppskattats, vilket är mer vettigt när det gäller hur planeter bildas.
Sammantaget är WASP-107 b inte så mystisk som den en gång såg ut.
"Webbs data säger oss att planeter som WASP-107 b inte behövde bildas på något konstigt sätt med en superliten kärna och ett enormt gashölje", förklarade Mike Line från ASU. "Istället kan vi ta något mer som Neptunus, med mycket sten och inte så mycket gas, bara höja temperaturen och puffa upp den för att se ut som den gör."
