Экзопланета WASP-107 b уже несколько лет привлекает внимание астрономов. Она относится к редкому типу так называемых «супер-нептунов» — газовых планет с массой меньше Юпитера, но с очень большой атмосферой. Планета вращается вокруг звезды класса K6 и совершает полный оборот всего за 5,7 суток.
Несмотря на сравнительно небольшую массу — около 30 масс Земли — её радиус почти равен радиусу Юпитера. Благодаря такому соотношению размеров и массы атмосфера планеты сильно раздута. Это делает её идеальной целью для изучения методом транзитной спектроскопии, когда астрономы анализируют свет звезды, проходящий через атмосферу планеты во время транзита.
Ранее наблюдения уже показывали, что в атмосфере WASP-107 b присутствует водяной пар и облака. Однако недавние наблюдения космического телескопа James Webb позволили увидеть гораздо больше деталей и обнаружить целый набор молекул.
Что увидел телескоп James Webb
Наблюдения в ближнем и среднем инфракрасном диапазоне показали, что в атмосфере планеты присутствуют:
- водяной пар (H₂O)
- углекислый газ (CO₂)
- сернистый газ (SO₂)
- угарный газ (CO)
- аммиак (NH₃)
- метан (CH₄)
Кроме того, ранее было обнаружено поглощение гелия во время транзита, что говорит о том, что атмосфера планеты постепенно утекает в космос.
Особый интерес исследователей вызвал сигнал в районе 8–10 микрометров — характерная особенность, которая указывает на присутствие силикатных облаков. Но долгое время оставалось непонятно, каким образом такие облака могут формироваться в атмосфере планеты.
Почему силикатные облака — загадка
Силикаты — это минералы, содержащие кремний и кислород. На Земле они входят в состав горных пород. В атмосферах планет такие вещества могут образовывать облака, но обычно они конденсируются при достаточно высоких температурах.
Проблема заключалась в том, что в верхних слоях атмосферы WASP-107 b температура слишком низкая для образования силикатных частиц. Согласно прежним моделям, они должны были оседать в более глубокие и горячие слои атмосферы.
Чтобы разобраться в этом противоречии, исследователи решили использовать физическую модель образования облаков, а не просто подгонять параметры под наблюдения.
Модель атмосферы и облаков
Учёные разработали самосогласованную модель, которая одновременно рассчитывает:
- формирование облаков
- перенос излучения в атмосфере
- температурную структуру
Модель учитывает множество факторов, включая химический состав атмосферы, турбулентное перемешивание и внутренний тепловой поток планеты.
Для поиска наиболее подходящего варианта было рассчитано большое количество моделей с различными параметрами. Среди них:
- металличность атмосферы (доля тяжёлых элементов)
- интенсивность турбулентного перемешивания
- внутренняя температура планеты
- скорость образования облачных частиц
Затем результаты сравнивались со спектром, полученным телескопом James Webb в диапазоне длин волн от 0,9 до 12 микрометров.
Как образуются облака на WASP-107 b
Лучшее совпадение с наблюдениями показала модель, в которой атмосфера планеты содержит примерно в 17 раз больше тяжёлых элементов, чем Солнце.
Главную роль в формировании облаков играет турбулентное перемешивание атмосферы. Оно поднимает газ и частицы из более глубоких слоёв вверх, где температура ниже. Там из силикатных соединений начинают формироваться облачные частицы.
В верхних слоях атмосферы доминируют облака из диоксида кремния (SiO₂). Ниже, где температура выше, появляются облака из других силикатных минералов, например:
- MgSiO₃
- Mg₂SiO₄
Частицы облаков достигают размеров порядка микрометра. Они эффективно рассеивают и поглощают свет, что и формирует наблюдаемые особенности спектра.
Как облака влияют на спектр планеты
Наличие облаков оказывает заметное влияние на наблюдаемый спектр атмосферы.
В ближнем инфракрасном диапазоне облака рассеивают свет и частично скрывают линии поглощения водяного пара. Это делает спектральные линии воды менее выраженными.
В среднем инфракрасном диапазоне силикатные частицы создают характерную особенность около 10 микрометров. Именно она стала одним из ключевых доказательств присутствия силикатных облаков.
Моделирование показало, что сила этих спектральных признаков напрямую зависит от интенсивности турбулентности в атмосфере. Если перемешивание слишком слабое, облака оседают глубоко и почти не видны. Если слишком сильное — облаков становится слишком много, и спектр перестаёт соответствовать наблюдениям.
Турбулентная атмосфера и горячие недра
Полученные результаты также указывают на высокую внутреннюю температуру планеты — около 550 К. Это может означать, что внутри планеты происходят процессы, выделяющие дополнительное тепло.
Среди возможных источников:
- приливное нагревание из-за вытянутой орбиты
- электрические токи и так называемое омическое нагревание
Дополнительное тепло может объяснить и необычно большой радиус планеты.
Почему это важно для изучения экзопланет
WASP-107 b занимает особое место среди известных экзопланет. Её малая масса и огромная атмосфера делают её одним из самых «пухлых» миров, известных астрономам.
Новые результаты показывают, что даже относительно тёплые газовые планеты могут иметь сложные облачные системы из минералов. Более того, турбулентные процессы способны поднимать облачные частицы в верхние слои атмосферы, где они становятся заметны для телескопов.
Метод моделирования, использованный в исследовании, может применяться и к другим экзопланетам. По мере того как телескоп James Webb продолжает собирать данные, подобные модели помогут лучше понять химический состав, климат и эволюцию атмосфер далёких миров.
Источники:
Статья создана по материалам работы на arXiv.org
