Загадки экстремального газового мира: как "камушки" создают планеты-гиганты

Новое исследование, проведенное с использованием Космического телескопа Джеймса Вебба (JWST), проливает свет на то, как сформировалась далекая планета WASP-121b, раскрывая тайны её состава и движения в космическом пространстве.

WASP-121b – это не просто планета, а настоящий "горячий газовый гигант", вращающийся вокруг своей звезды на невероятно близкой орбите. Год на этой планете длится всего 30,5 часов! Из-за такой близости одна сторона WASP-121b всегда повернута к звезде, раскаляясь до температуры свыше 3000 °C, в то время как другая пребывает в вечной тьме и "холоде" около 1500 °C.

Используя спектрограф ближнего инфракрасного диапазона JWST (NIRSpec), ученые обнаружили в атмосфере планеты водяной пар (H₂O), монооксид углерода (CO), монооксид кремния (SiO) и метан (CH₄). Обнаруженные сигналы были очень четкими, что позволило с уверенностью говорить о наличии этих веществ.

Что же делает это открытие таким важным? Дело в том, что ученые одновременно обнаружили как тугоплавкие элементы (вещества, остающиеся твердыми при высоких температурах, такие как кремний, железо и магний), так и летучие вещества (например, вода и метан). Обычно обнаружить их вместе довольно сложно, так как они проявляются в разных частях светового спектра.

Как объясняет один из исследователей, Томас Эванс-Сома: "Температура на дневной стороне планеты настолько высока, что тугоплавкие материалы, обычно существующие в твердом состоянии и устойчивые к сильному нагреву, переходят в газообразное состояние и становятся частью атмосферы планеты".

Химический "портрет" WASP-121b: что он нам расскажет?

Сравнив состав атмосферы WASP-121b с составом её звезды, ученые обнаружили, что планета содержит больше углерода, кислорода и кремния, чем ожидалось. Это явление, называемое "суперзвездным содержанием", говорит о том, что планета росла, "собирая" как богатые газом "камешки", так и скалистые планетезимали (небольшие небесные тела, из которых формируются планеты).

Как отмечает Кирилл Гапп, еще один участник исследования: "Газообразные вещества легче идентифицировать, чем жидкости и твердые тела. Поскольку многие химические соединения присутствуют в газообразной форме, мы используем WASP-121b как своего рода "естественную лабораторию" для изучения свойств планетарных атмосфер".

Вероятно, WASP-121b сформировалась в более холодной области своего первоначального газопылевого диска – достаточно далеко от звезды, чтобы вода оставалась в замерзшем состоянии, но достаточно тепло, чтобы метан был газом. Подобные условия можно найти в нашей Солнечной системе в области между Юпитером и Ураном. Позднее планета, вероятно, "мигрировала" гораздо ближе к своей звезде.

Загадка метана на ночной стороне: что это значит?

Еще одной неожиданностью стало обнаружение метана на ночной стороне WASP-121b. Согласно существующим моделям, метана там быть не должно, поскольку воздух с горячей дневной стороны должен быстро смешиваться с более холодной ночной стороной, разрушая метан.

Однако, как отмечает Эванс-Сома, "это ставит под сомнение существующие модели динамики экзопланет, которые, вероятно, придется пересмотреть, чтобы объяснить сильное вертикальное перемешивание, обнаруженное нами на ночной стороне WASP-121b".

Вероятно, метан поднимается из более глубоких слоев атмосферы под воздействием мощных вертикальных ветров. Эти нижние слои богаты метаном из-за более низких температур и высокого отношения углерода к кислороду.

Ученые собирали данные на протяжении всей орбиты планеты, а также в момент её прохождения перед звездой. Во время этого "транзита" часть звездного света проходила через тонкую внешнюю атмосферу планеты, что позволило ученым определить её химический состав.

Гапп поясняет: "Полученный спектр пропускания подтвердил обнаружение монооксида кремния, монооксида углерода и воды, которые были обнаружены ранее. Однако мы не смогли найти метан в переходной зоне между дневной и ночной стороной".

Это открытие ставит перед учеными новые вопросы о формировании и динамике экзопланет, подчеркивая важность дальнейших исследований в этой захватывающей области. Как формируются планеты-гиганты? Какие процессы происходят в их атмосферах? Ответы на эти вопросы помогут нам лучше понять не только далекие миры, но и нашу собственную Солнечную систему.

Источник: Институт астрономии Макса Планка и журнал Nature

Мнение редакции MSReview: Открытие JWST о составе атмосферы WASP-121b предоставляет уникальные сведения о формировании экстремальных газовых гигантов. Наблюдения, бросающие вызов существующим моделям, подчеркивают важность дальнейших исследований в области динамики экзопланет.