Exoplanet, bekannt als WASP-107 b
(NASA) – Warum ist der warme Gasriese Exoplanet WASP-107 so geschwollen? Zwei unabhängige Forscherteams haben eine Antwort.
Mit dem James Webb-Weltraumteleskop der NASA gesammelte Daten zeigen in Kombination mit früheren Beobachtungen des Hubble-Weltraumteleskops überraschend wenig Methan in der Atmosphäre des Planeten, was darauf hindeutet, dass das Innere von WASP-107 b deutlich heißer und der Kern viel massereicher sein muss als bisher angenommen .
Es wird angenommen, dass die unerwartet hohe Temperatur auf die durch die leicht nicht kreisförmige Umlaufbahn des Planeten verursachte Gezeitenerwärmung zurückzuführen ist und erklären kann, wie WASP-107 b so aufgeblasen werden kann, ohne auf extreme Theorien über seine Entstehung zurückgreifen zu müssen.
Die Ergebnisse, die durch Webbs außerordentliche Sensibilität und die damit einhergehende Fähigkeit, Licht zu messen, das durch die Atmosphäre von Exoplaneten dringt, ermöglicht wurden, könnten die Schwellung von Dutzenden von Exoplaneten mit geringer Dichte erklären und dazu beitragen, ein seit langem bestehendes Rätsel in der Exoplanetenwissenschaft zu lösen.
Das Problem mit WASP-107 b
Mit mehr als drei Vierteln des Volumens von Jupiter, aber weniger als einem Zehntel der Masse ist der „warme Neptun“-Exoplanet WASP-107 b einer der Planeten mit der geringsten Dichte, die wir kennen. Während geschwollene Planeten keine Seltenheit sind, sind die meisten heißer und massereicher und daher leichter zu erklären.
„Aufgrund seines Radius, seiner Masse, seines Alters und der angenommenen Innentemperatur gingen wir davon aus, dass WASP-107 b einen sehr kleinen, felsigen Kern hatte, der von einer riesigen Masse aus Wasserstoff und Helium umgeben war“, erklärte Luis Welbanks von der Arizona State University (ASU). Hauptautor eines Artikels, der heute in Nature veröffentlicht wurde. „Aber es war schwer zu verstehen, wie ein so kleiner Kern so viel Gas mitreißen und dann nicht vollständig zu einem Planeten mit Jupitermasse heranwachsen konnte.“
Wenn WASP-107 b stattdessen einen größeren Teil seiner Masse im Kern hätte, hätte sich die Atmosphäre zusammenziehen müssen, da der Planet seit seiner Entstehung im Laufe der Zeit abgekühlt ist. Ohne eine Wärmequelle zur erneuten Expansion des Gases müsste der Planet viel kleiner sein. Obwohl WASP-107 b eine Umlaufentfernung von nur 5 Millionen Meilen (ein Siebtel der Entfernung zwischen Merkur und der Sonne) hat, erhält es nicht genug Energie von seinem Stern, um sich so stark aufzublähen.
„WASP-107 b ist ein so interessantes Ziel für Webb, weil er deutlich kühler und in seiner Masse Neptun-ähnlicher ist als viele der anderen Planeten mit geringer Dichte, die heißen Jupiter, die wir untersucht haben“, sagte David Sing von den Johns Hopkins University (JHU), Hauptautor einer parallelen Studie, die heute ebenfalls in Nature veröffentlicht wurde. „Dadurch sollten wir in der Lage sein, Methan und andere Moleküle nachzuweisen, die uns Informationen über seine Chemie und innere Dynamik liefern können, die wir von einem heißeren Planeten nicht erhalten können.“
Eine Fülle bisher nicht nachweisbarer Moleküle
Der riesige Radius, die ausgedehnte Atmosphäre und die seitliche Umlaufbahn von WASP-107 b machen es ideal für die Transmissionsspektroskopie, eine Methode zur Identifizierung der verschiedenen Gase in der Atmosphäre eines Exoplaneten anhand ihrer Auswirkung auf das Sternenlicht.
Durch die Kombination von Beobachtungen von Webbs NIRCam (Near-Infrared Camera), Webbs MIRI (Mid-Infrared Instrument) und Hubbles WFC3 (Wide Field Camera 3) konnte Welbanks Team ein breites Spektrum von absorbiertem Licht mit einer Wellenlänge von 0,8 bis 12,2 Mikrometern aufbauen durch die Atmosphäre von WASP-107 b. Mit Webbs NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) erstellte Sings Team ein unabhängiges Spektrum, das 2,7 bis 5,2 Mikrometer abdeckt.
Die Präzision der Daten ermöglicht es, die Häufigkeit einer Fülle von Molekülen, darunter Wasserdampf (H2O), Methan (CH4), Kohlendioxid (CO2), Kohlenmonoxid (CO) und Schwefeldioxid, nicht nur zu erkennen, sondern tatsächlich zu messen (SO2) und Ammoniak (NH3).
„Dies ist ein Beweis dafür, dass sich heißes Gas aus der Tiefe des Planeten kräftig mit den kühleren Schichten weiter oben vermischen muss“, erklärte Sing. „Methan ist bei hohen Temperaturen instabil. Die Tatsache, dass wir so wenig entdeckt haben, obwohl wir andere kohlenstoffhaltige Moleküle entdeckt haben, sagt uns, dass das Innere des Planeten deutlich heißer sein muss, als wir dachten.“
Eine wahrscheinliche Quelle der zusätzlichen inneren Energie von WASP-107 ist die Gezeitenerwärmung, die durch seine leicht elliptische Umlaufbahn verursacht wird. Da sich der Abstand zwischen dem Stern und dem Planeten während der 5,7-tägigen Umlaufbahn kontinuierlich ändert, ändert sich auch die Anziehungskraft, wodurch der Planet gedehnt und erhitzt wird.
Forscher hatten zuvor vorgeschlagen, dass die Gezeitenerwärmung die Ursache für die Schwellungen von WASP-107 sein könnte, aber bis die Webb-Ergebnisse vorlagen, gab es keine Beweise.
Nachdem sie festgestellt hatten, dass der Planet über genügend innere Wärme verfügt, um die Atmosphäre gründlich aufzuwirbeln, erkannten die Teams, dass die Spektren auch eine neue Möglichkeit bieten könnten, die Größe des Kerns abzuschätzen.
„Wenn wir wissen, wie viel Energie auf dem Planeten vorhanden ist und wie hoch der Anteil schwererer Elemente wie Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Schwefel auf dem Planeten ist, im Vergleich zu dem Anteil von Wasserstoff und Helium, können wir berechnen, wie viel Masse darin enthalten sein muss.“ der Kern“, erklärte Daniel Thorngren von der JHU.
Es stellt sich heraus, dass der Kern mindestens doppelt so massereich ist wie ursprünglich angenommen, was im Hinblick auf die Entstehung von Planeten sinnvoller ist.
Alles in allem ist WASP-107 b nicht mehr so mysteriös, wie es einst schien.
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