El telescopio espacial Webb revela el caso del exoplaneta hinchado ‘Marshmallow Microwave’.

La repentina falta de metano sugiere que el calentamiento de las mareas ha inflado la atmósfera del gigante gaseoso WASP-107 b.

¿Por qué el gas caliente se considera un gigante? exoplaneta ¿WASP-107b está demasiado hinchado? Con una temperatura moderada y una densidad extremadamente baja a la par de un malvavisco cocinado en microondas, parece desafiar las teorías estándar sobre la formación y evolución planetaria.

Dos equipos independientes de investigadores creen haberlo descubierto. Los datos de Webb, combinados con observaciones anteriores del Hubble, muestran que el interior de WASP-107 b debería estar mucho más caliente de lo estimado anteriormente. Las temperaturas inesperadamente altas, que se cree que son causadas por fuerzas de marea que estiran el planeta como si fuera masilla, podrían explicar cómo planetas como WASP-107 b pueden ser tan flotantes, y tal vez resolver un misterio de larga data en la ciencia de los exoplanetas.

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 cálido» que orbita una estrella pequeña y relativamente 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 su masa es menos del 10% de la de Júpiter, lo que lo convierte en uno de los exoplanetas menos masivos conocidos. Crédito de la imagen: NASA, ESA, CSA, Ralph Crawford (STScI)

El Telescopio Espacial Webb revela el caso de un exoplaneta hinchado

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

Los datos recopilados utilizando el Telescopio Espacial James Webb de la NASA, así como observaciones anteriores del Telescopio Espacial Hubble de la NASA, muestran una pequeña cantidad de metano (CH).₄) en la atmósfera del planeta. Esto sugiere 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 irregular del planeta, y podría explicar cómo WASP-107 b pudo haberse inflado sin recurrir a teorías extremas sobre cómo se formó.

Los resultados, posibles gracias a la sensibilidad excepcional de Webb y su capacidad para medir la luz que pasa a través de atmósferas exoplanetarias, pueden explicar la hinchazón de docenas de exoplanetas de baja densidad, ayudando a resolver un misterio de larga data en la ciencia de los exoplanetas.

El problema con WASP-107b

Más de tres cuartas partes del tamaño Júpiter Pero menos de una décima parte de la masa está «caliente». NeptunoEl 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 y, por tanto, más fáciles de explicar.

«Basándonos en su radio, masa, edad y temperatura interna supuesta, pensábamos que WASP-107 b tenía un núcleo rocoso muy pequeño rodeado por una enorme masa de hidrógeno y helio», explicó Louis Wilbanks de la Universidad Estatal de Arizona (ASU). El 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».

Este espectro de transmisión, tomado con los telescopios espaciales Hubble y James Webb de la NASA, muestra las cantidades de diferentes longitudes de onda (colores) de luz estelar bloqueadas por la atmósfera del exoplaneta gigante gaseoso WASP-107 b.
El espectro incluye luz recopilada por cinco observaciones separadas utilizando un total de tres instrumentos diferentes: WFC3 de Hubble (0,8 a 1,6 micrones), NIRCam de Webb (2,4 a 4,0 micrones y 3,9 a 5,0 micrones) y MIRI de Webb (5 a 12 micrones). Cada conjunto de mediciones se realizó observando el sistema planeta-estrella durante 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 de un planeta (luz transmitida) con la luz estelar no filtrada, es posible calcular qué parte de cada longitud de onda está bloqueada por la atmósfera. Dado que cada molécula absorbe una combinación única de longitudes de onda, el espectro de transmisión se puede utilizar para limitar la abundancia de diferentes gases.
Este espectro muestra evidencia clara de la presencia 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 la atmósfera interior del planeta. Temperatura y masa del núcleo.
La 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 por parte de un telescopio espacial de amoníaco en la atmósfera de un exoplaneta.
Crédito de la imagen: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI), Luis Welbanks (ASU), equipo JWST MANATEE

Si WASP-107 b tuviera más masa que su núcleo, la atmósfera debería haberse reducido a medida que el planeta se enfrió con el tiempo desde su formación. Sin una fuente de calor para volver a expandir el gas, el planeta tendría que ser mucho más 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 para inflarse tanto.

«WASP-107 b es un objetivo interesante para Webb porque es significativamente más frío y más similar a Neptuno en masa que muchos de los otros planetas de baja densidad, como los Júpiter calientes, que hemos estado estudiando», dijo David Singh de Universidad Jones. Universidad Hopkins (JHU), autor principal de A estudio paralelo Publicado también hoy en naturaleza. «Como resultado, deberíamos poder detectar metano y otras moléculas que puedan darnos información sobre su química y dinámica interna que no podemos obtener de un planeta más 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, un método utilizado para identificar diferentes gases en las atmósferas de los exoplanetas en función de cómo afectan 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 Webbanks pudo construir una amplia gama de luz absorbida de 0,8 a 12,2 micrones. . Por la atmósfera de WASP-107 b. Utilizando el NIRSpec (espectrómetro de infrarrojo cercano) de Webb, el equipo de Sing construyó un espectro independiente que abarca de 2,7 a 5,2 micrones.

La precisión de los datos hace posible no sólo detectar sino también medir la abundancia de una gran cantidad de moléculas, incluido el vapor de agua (H₂O) y metano (CH₄), dióxido de carbono (CO₂), monóxido de carbono (CO), dióxido de azufre (SO₂) y amoníaco (NH₃).

Este espectro de transmisión, tomado con el espectrógrafo de infrarrojo cercano de Webb, muestra las cantidades de diferentes longitudes de onda (colores) de luz estelar del infrarrojo cercano bloqueadas por la atmósfera del exoplaneta gigante gaseoso WASP-107 b.
El espectro se creó observando el sistema planeta-estrella durante aproximadamente 8,5 horas antes, durante y después del tránsito a medida que el planeta se mueve a través de la cara de la estrella.
Comparando el brillo de la luz filtrada a través de la atmósfera de un planeta (luz transmitida) con la luz estelar no filtrada, es posible calcular qué parte de cada longitud de onda está bloqueada por la atmósfera. Dado que cada molécula absorbe una combinación única de longitudes de onda, el espectro de transmisión se puede utilizar para limitar la abundancia de diferentes gases.
Este espectro muestra evidencia clara de la presencia de agua (H2O), dióxido de carbono (CO2), monóxido de carbono (CO), metano (CH4) y dióxido de azufre (SO2) en la atmósfera del planeta, lo que permite a los investigadores estimar la temperatura interna y masa del Planeta. esencia.
Crédito de la imagen: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI), David Sing (JHU), Equipo de exoplanetas en tránsito NIRSpec GTO

Gas hirviendo, interior caliente, núcleo masivo

Ambos espectros muestran una sorprendente falta de metano en la atmósfera del planeta WASP-107 b: una milésima parte de la cantidad esperada según su temperatura supuesta.

«Esto es evidencia de que el gas caliente proveniente de las profundidades del planeta debe mezclarse fuertemente con las capas más frías de arriba», explicó Singh. «El metano es inestable a altas temperaturas. El hecho de que hayamos detectado tan poco, a pesar de que hemos detectado otras moléculas que contienen carbono, nos dice que el interior del planeta debe estar mucho más caliente de lo que pensábamos».

La fuente probable de la energía interna adicional de WASP-107 b es el calentamiento de las mareas generado por su órbita ligeramente elíptica. A medida que la distancia entre la estrella y el planeta cambia continuamente a lo largo de 5,7 días, la fuerza de gravedad también cambia, lo que hace que el planeta se expanda y se caliente.

Los investigadores habían sugerido previamente que el calentamiento de las mareas podría ser una causa del hinchamiento de WASP-107 b, pero hasta los resultados de Webb, no había evidencia.

Una vez que se confirmó que el planeta tenía suficiente calor interno para animar completamente la atmósfera, el equipo se dio cuenta de que los espectros también podrían proporcionar una nueva forma de estimar el tamaño del núcleo.

“Si sabemos cuánta energía hay en el planeta, y sabemos qué proporción de los elementos más pesados ​​como el carbono, el nitrógeno, el oxígeno y el azufre hay en el planeta, frente a la cantidad de hidrógeno y helio, podemos calcular cuánta masa tiene el planeta. debería tener.» Daniel Thorngren de JHU explicó.

La masa del núcleo resulta ser al menos el doble de lo que se estimó originalmente, lo que tiene más sentido en términos de cómo se forman los planetas.

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

«Los datos de Webb nos dicen que planetas como WASP-107 b no tuvieron que formarse de forma extraña, con un núcleo muy pequeño y una envoltura gaseosa masiva», explicó Mike Lane, de la Universidad Estatal de Arizona. «En lugar de eso, podríamos tomar algo que se parezca a Neptuno, con mucha roca y poco gas, simplemente aumentar la temperatura y ajustarlo para que luzca igual».

Referencia: “Alto flujo de calor interno y un gran núcleo en el exoplaneta cálido Neptuno” por 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, Vivien Parmentier, Yao Tang, Isaac Edelman, Sajnik Mukherjee, Lindsay S. Weiser, Pierre-Olivier Lagage, Akren Derek y Kenneth E. Arnold, 20 de mayo de 2024, naturaleza.
doi: 10.1038/s41586-024-07514-s

el Telescopio espacial James Webb Es el primer observatorio científico espacial del mundo. Webb resuelve los misterios de nuestro sistema solar, mira más allá de los mundos distantes alrededor de otras estrellas y explora las misteriosas estructuras y orígenes de nuestro universo y nuestro lugar en él. WEB es un programa liderado internacionalmente NASA Con sus socios la Agencia Espacial Europea (ESA)Agencia Espacial Europea) y CSA (Agencia Espacial Canadiense).