تلسكوب ويب الفضائي يكشف حالة كوكب خارجي منتفخ “مارشميلو ميكروويف”.

يشير النقص المفاجئ في الميثان إلى أن تسخين المد والجزر قد أدى إلى نفخ الغلاف الجوي لعملاق الغاز الدافئ WASP-107 b.

لماذا يعتبر الغاز الدافئ عملاقا؟ كوكب خارجي WASP-107 ب منتفخ جدًا؟ مع درجة حرارة معتدلة وكثافة منخفضة للغاية على قدم المساواة مع المارشميلو الميكروويف، يبدو أنه يتحدى النظريات القياسية لتكوين الكواكب وتطورها.

يعتقد فريقان مستقلان من الباحثين أنهم اكتشفوا ذلك. تُظهر البيانات الواردة من ويب، جنبًا إلى جنب مع الملاحظات السابقة من هابل، أن الجزء الداخلي من WASP-107 b يجب أن يكون أكثر سخونة بكثير مما كان مقدرا سابقًا. يمكن لدرجات الحرارة المرتفعة غير المتوقعة، والتي يُعتقد أنها ناجمة عن قوى المد والجزر التي تمد الكوكب مثل المعجون السخيف، أن تفسر كيف يمكن لكواكب مثل WASP-107 b أن تكون طافية للغاية، وربما تحل لغزًا طويل الأمد في علم الكواكب الخارجية.

يوضح مفهوم هذا الفنان الشكل الذي يمكن أن يبدو عليه الكوكب الخارجي WASP-107 b بناءً على البيانات الحديثة التي جمعها تلسكوب جيمس ويب الفضائي التابع لناسا، إلى جانب الملاحظات السابقة من هابل وغيره من التلسكوبات الفضائية والأرضية. WASP-107 b هو كوكب خارجي من نوع “نبتون الدافئ” يدور حول نجم صغير وبارد نسبيًا على بعد حوالي 210 سنة ضوئية من الأرض، في كوكبة العذراء. يبلغ حجم الكوكب حوالي 80% من حجم كوكب المشتري من حيث الحجم، ولكن كتلته أقل من 10% من كتلة المشتري، مما يجعله أحد الكواكب الخارجية الأقل كثافة المعروفة. حقوق الصورة: ناسا، وكالة الفضاء الأوروبية، وكالة الفضاء الكندية، رالف كروفورد (STScI)

تلسكوب ويب الفضائي يكشف حالة وجود كوكب خارجي منتفخ

لماذا يكون الكوكب الخارجي العملاق الغازي الدافئ WASP-107 b منتفخًا جدًا؟ أصبح لدى فريقين بحثيين مستقلين إجابة الآن.

البيانات التي تم جمعها باستخدام تلسكوب جيمس ويب الفضائي التابع لناسا، بالإضافة إلى الملاحظات السابقة من تلسكوب هابل الفضائي التابع لناسا، تظهر كمية قليلة من الميثان (CH)₄) في الغلاف الجوي للكوكب. يشير هذا إلى أن الجزء الداخلي من WASP-107 b يجب أن يكون أكثر سخونة بشكل ملحوظ وأن النواة أكبر بكثير مما كان مقدرًا سابقًا.

يُعتقد أن درجة الحرارة المرتفعة بشكل غير متوقع هي نتيجة لتسخين المد والجزر الناجم عن مدار الكوكب غير الدائري قليلاً، ويمكن أن تفسر كيف يمكن أن يتضخم WASP-107 b دون اللجوء إلى نظريات متطرفة حول كيفية تشكله.

النتائج، التي أصبحت ممكنة بفضل حساسية ويب الاستثنائية وقدرته المصاحبة على قياس الضوء الذي يمر عبر أجواء الكواكب الخارجية، قد تفسر انتفاخ العشرات من الكواكب الخارجية منخفضة الكثافة، مما يساعد في حل لغز طويل الأمد في علم الكواكب الخارجية.

المشكلة مع WASP-107 ب

بأكثر من ثلاثة أرباع الحجم كوكب المشتري ولكن أقل من عُشر الكتلة، “الدافئة”. نبتونيعد الكوكب الخارجي WASP-107 b أحد الكواكب الأقل كثافة المعروفة. في حين أن الكواكب المنتفخة ليست غير شائعة، إلا أن معظمها أكثر سخونة وأكثر ضخامة، وبالتالي يسهل تفسيرها.

وأوضح لويس ويلبانكس من جامعة ولاية أريزونا (ASU): “استنادًا إلى نصف قطره وكتلته وعمره ودرجة حرارته الداخلية المفترضة، اعتقدنا أن WASP-107 b لديه نواة صخرية صغيرة جدًا محاطة بكتلة ضخمة من الهيدروجين والهيليوم”. المؤلف الرئيسي لورقة بحثية نشرت في 20 مايو في المجلة طبيعة. “لكن كان من الصعب أن نفهم كيف يمكن لمثل هذا اللب الصغير أن يكتسح الكثير من الغاز، ثم يتوقف عن النمو بالكامل ليصبح كوكبًا كتلته كتلة المشتري”.

يُظهر طيف النقل هذا، الذي تم التقاطه باستخدام تلسكوبات هابل وجيمس ويب الفضائية التابعة لناسا، كميات الأطوال الموجية المختلفة (الألوان) لضوء النجوم المحجوب بواسطة الغلاف الجوي للكوكب الخارجي العملاق الغازي WASP-107 b.
يتضمن الطيف الضوء الذي تم جمعه من خلال خمس عمليات رصد منفصلة باستخدام ما مجموعه ثلاث أدوات مختلفة: Hubble’s WFC3 (0.8–1.6 ميكرون)، Webb’s NIRCam (2.4–4.0 ميكرون و3.9-5.0 ميكرون)، وWebb’s MIRI (5-12 ميكرون). تم إجراء كل مجموعة من القياسات من خلال مراقبة نظام الكوكب والنجم لمدة 10 ساعات تقريبًا قبل وأثناء وبعد العبور أثناء تحرك الكوكب عبر وجه النجم.
من خلال مقارنة سطوع الضوء المرشّح عبر الغلاف الجوي للكوكب (الضوء المنقول) مع ضوء النجوم غير المرشّح، من الممكن حساب مقدار كل طول موجي يحجبه الغلاف الجوي. وبما أن كل جزيء يمتص مزيجًا فريدًا من الأطوال الموجية، فيمكن استخدام طيف النقل لتقييد وفرة الغازات المختلفة.
يُظهر هذا الطيف دليلاً واضحًا على وجود الماء (H2O)، وثاني أكسيد الكربون (CO2)، وأول أكسيد الكربون (CO)، والميثان (CH4)، وثاني أكسيد الكبريت (SO2)، والأمونيا (NH3) في الغلاف الجوي للكوكب، مما يسمح للباحثين بتقدير الغلاف الجوي الداخلي للكوكب. درجة الحرارة وكتلة النواة.
تعد تغطية الطول الموجي من الأشعة الضوئية إلى الأشعة تحت الحمراء المتوسطة هي الأوسع من أي طيف نقل للكواكب الخارجية حتى الآن، وتتضمن أول اكتشاف بواسطة تلسكوب فضائي للأمونيا في الغلاف الجوي لكوكب خارج المجموعة الشمسية.
مصدر الصورة: NASA، ESA، CSA، Ralf Crawford (STScI)، Luis Welbanks (ASU)، فريق JWST MANATEE

إذا كان WASP-107 b يحتوي على كتلة أكبر من كتلته في القلب، فمن المفترض أن يكون الغلاف الجوي قد انكمش مع انخفاض حرارة الكوكب بمرور الوقت منذ تشكله. ومن دون مصدر للحرارة لإعادة تمدد الغاز، ينبغي أن يكون الكوكب أصغر بكثير. على الرغم من أن مسافة مدارية WASP-107 b تبلغ 5 ملايين ميل فقط (سُبع المسافة بين عطارد والشمس)، إلا أنه لا يتلقى طاقة كافية من نجمه ليتضخم إلى هذا الحد.

قال ديفيد سينغ من جامعة جونز: “يعد WASP-107 b هدفًا مثيرًا للاهتمام بالنسبة إلى Webb لأنه أكثر برودة بشكل ملحوظ وأكثر شبهاً بنبتون من حيث الكتلة من العديد من الكواكب الأخرى منخفضة الكثافة، ككواكب المشتري الساخنة، التي كنا ندرسها”. جامعة هوبكنز (JHU)، المؤلف الرئيسي في أ دراسة موازية نشرت اليوم أيضا في طبيعة. “ونتيجة لذلك، يجب أن نكون قادرين على اكتشاف الميثان والجزيئات الأخرى التي يمكن أن تعطينا معلومات حول كيميائيته وديناميكياته الداخلية التي لا يمكننا الحصول عليها من كوكب أكثر سخونة”.

ثروة من الجزيئات التي لم يكن من الممكن اكتشافها سابقًا

إن نصف قطر WASP-107 b العملاق، والغلاف الجوي الممتد، والمدار الحافة، يجعله مثاليًا للتحليل الطيفي للإرسال، وهي طريقة تستخدم لتحديد الغازات المختلفة في الغلاف الجوي للكواكب الخارجية بناءً على كيفية تأثيرها على ضوء النجوم.

من خلال الجمع بين الملاحظات من كاميرا Webb’s NIRCam (كاميرا الأشعة تحت الحمراء القريبة)، وجهاز Webb’s MIRI (أداة الأشعة تحت الحمراء المتوسطة)، وHubble’s WFC3 (كاميرا واسعة المجال 3)، تمكن فريق Webbanks من بناء نطاق واسع من الضوء الممتص من 0.8 إلى 12.2 ميكرون. بواسطة الغلاف الجوي لـ WASP-107 b. باستخدام NIRSpec الخاص بـ Webb (مطياف الأشعة تحت الحمراء القريبة)، قام فريق Sing ببناء طيف مستقل يغطي 2.7 إلى 5.2 ميكرون.

إن دقة البيانات تجعل من الممكن ليس فقط اكتشاف وفرة ثروة من الجزيئات، بل قياسها فعليًا، بما في ذلك بخار الماء (H₂O) والميثان (CH₄) ، ثاني أكسيد الكربون (CO₂) ، أول أكسيد الكربون (CO)، ثاني أكسيد الكبريت (SO₂) والأمونيا (NH₃).

يُظهر طيف النقل هذا، الذي تم التقاطه باستخدام مطياف الأشعة تحت الحمراء القريبة من Webb، كميات الأطوال الموجية المختلفة (الألوان) لضوء النجوم القريبة من الأشعة تحت الحمراء المحجوبة بواسطة الغلاف الجوي للكوكب الخارجي العملاق الغازي WASP-107 b.
تم إنشاء الطيف من خلال مراقبة نظام الكوكب والنجم لمدة 8.5 ساعة تقريبًا قبل وأثناء وبعد العبور أثناء تحرك الكوكب عبر وجه النجم.
من خلال مقارنة سطوع الضوء المرشّح عبر الغلاف الجوي للكوكب (الضوء المنقول) مع ضوء النجوم غير المرشّح، من الممكن حساب مقدار كل طول موجي يحجبه الغلاف الجوي. وبما أن كل جزيء يمتص مزيجًا فريدًا من الأطوال الموجية، فيمكن استخدام طيف النقل لتقييد وفرة الغازات المختلفة.
يظهر هذا الطيف دليلا واضحا على وجود الماء (H2O)، وثاني أكسيد الكربون (CO2)، وأول أكسيد الكربون (CO)، والميثان (CH4)، وثاني أكسيد الكبريت (SO2) في الغلاف الجوي للكوكب، مما يسمح للباحثين بتقدير درجة الحرارة الداخلية وكتلة الكوكب. جوهر.
مصدر الصورة: NASA، ESA، CSA، Ralf Crawford (STScI)، David Sing (JHU)، NIRSpec GTO Transiting Exoplanet Team

غاز مغلي، وداخل ساخن، ونواة ضخمة

يُظهر كلا الطيفين نقصًا مفاجئًا في غاز الميثان في الغلاف الجوي للكوكب WASP-107 b: واحد على الألف من الكمية المتوقعة بناءً على درجة حرارته المفترضة.

وأوضح سينغ: “هذا دليل على أن الغاز الساخن القادم من أعماق الكوكب يجب أن يمتزج بقوة مع الطبقات الأكثر برودة في الأعلى”. “الميثان غير مستقر في درجات الحرارة المرتفعة. وحقيقة أننا اكتشفنا القليل جدًا، على الرغم من أننا اكتشفنا جزيئات أخرى حاملة للكربون، تخبرنا أن باطن الكوكب يجب أن يكون أكثر سخونة بكثير مما كنا نعتقد.

المصدر المحتمل للطاقة الداخلية الإضافية للكوكب WASP-107 b هو تسخين المد والجزر الناتج عن مداره الإهليلجي قليلاً. ومع تغير المسافة بين النجم والكوكب بشكل مستمر على مدار 5.7 يومًا، تتغير قوة الجاذبية أيضًا، مما يؤدي إلى تمدد الكوكب وتسخينه.

وكان الباحثون قد اقترحوا سابقًا أن تسخين المد والجزر يمكن أن يكون سببًا لانتفاخ WASP-107 b، ولكن حتى ظهور نتائج ويب، لم يكن هناك أي دليل.

وبمجرد التأكد من أن الكوكب لديه ما يكفي من الحرارة الداخلية لتحريك الغلاف الجوي بشكل كامل، أدرك الفريق أن الأطياف يمكن أن توفر أيضًا طريقة جديدة لتقدير حجم النواة.

“إذا عرفنا مقدار الطاقة الموجودة في الكوكب، وعرفنا ما هي نسبة العناصر الأثقل مثل الكربون والنيتروجين والأكسجين والكبريت في الكوكب، مقابل كمية الهيدروجين والهيليوم، يمكننا حساب مقدار الكتلة التي يجب أن تكون في الكوكب”. وأوضح دانيال ثورنجرين من JHU.

لقد اتضح أن كتلة النواة تبلغ على الأقل ضعف ما تم تقديره في الأصل، وهو أمر أكثر منطقية من حيث كيفية تشكل الكواكب.

وبشكل عام، فإن WASP-107 b ليس غامضًا كما ظهر من قبل.

وأوضح مايك لاين من جامعة ولاية أريزونا: “تخبرنا بيانات ويب أن الكواكب مثل WASP-107 b لم يكن من الضروري أن تتشكل بطريقة غريبة مع نواة صغيرة جدًا بغلاف غازي ضخم”. “بدلاً من ذلك، يمكننا أن نأخذ شيئًا يشبه نبتون، مع الكثير من الصخور وليس الكثير من الغاز، فقط قم بزيادة درجة الحرارة، وقم بتحريكه ليبدو كما هو.”

المرجع: “تدفق حراري داخلي مرتفع ونواة كبيرة في كوكب خارجي دافئ نبتون” بقلم لويس ويلبانكس، تايلور جيه بيل، توماس جي بيتي، مايكل آر لاين، كازوماسا أونو، جوناثان جيه فورتني، إيفريت شلاوين، توماس بي. جرين، إميلي راوشر، بيتر ماكجيل، ماثيو ميرفي، فيفيان بارمنتييه، ياو تانغ، إسحاق إيدلمان، ساجنيك موخرجي، ليندسي إس. وايزر، بيير أوليفييه لاجاج، أكرين ديريك وكينيث إي أرنولد، 20 مايو 2024، طبيعة.
دوى: 10.1038/s41586-024-07514-ث

ال تلسكوب جيمس ويب الفضائي هو مرصد علوم الفضاء الأول في العالم. يعمل ويب على حل الألغاز في نظامنا الشمسي، ويتطلع إلى ما وراء العوالم البعيدة حول النجوم الأخرى، ويستكشف الهياكل والأصول الغامضة لكوننا ومكاننا فيه. ويب هو برنامج دولي بقيادة ناسا مع شركائها وكالة الفضاء الأوروبية (ESA)وكالة الفضاء الأوروبية) وCSA (وكالة الفضاء الكندية).