Gegevens verzameld met behulp van NASA's James Webb-ruimtetelescoop, gecombineerd met eerdere waarnemingen van NASA's Hubble-ruimtetelescoop, laten verrassend weinig methaan zien (CH₄ ) in de atmosfeer van de planeet, wat aangeeft dat het binnenste van WASP-107 b aanzienlijk heter moet zijn en de kern veel massiever dan eerder werd geschat.

Aangenomen wordt dat de onverwacht hoge temperatuur het gevolg is van de opwarming van de aarde, veroorzaakt door de enigszins niet-cirkelvormige baan van de planeet, en kan verklaren hoe WASP-107 b zo kan worden opgeblazen zonder toevlucht te nemen tot extreme theorieën over hoe deze is ontstaan.

De resultaten, die mogelijk zijn gemaakt door de buitengewone gevoeligheid van Webb en het daarmee gepaard gaande vermogen om licht te meten dat door de atmosfeer van exoplaneten gaat, kunnen de wallen van tientallen exoplaneten met lage dichtheid verklaren en een al lang bestaand mysterie in de exoplanetenwetenschap helpen oplossen.

Het probleem met WASP-107 b

Met meer dan driekwart van het volume van Jupiter, maar minder dan een tiende van de massa, is de ‘warme Neptunus’ exoplaneet WASP-107 b een van de minst bekende planeten met een lage dichtheid. Hoewel gezwollen planeten niet ongewoon zijn, zijn de meeste heter en massiever, en daarom gemakkelijker uit te leggen.

"Gebaseerd op zijn straal, massa, leeftijd en veronderstelde interne temperatuur, dachten we dat WASP-107 b een zeer kleine, rotsachtige kern had, omringd door een enorme massa waterstof en helium", legt Luis Welbanks van de Arizona State University (ASU) uit. hoofdauteur van een artikel dat vandaag in Nature is gepubliceerd . ‘Maar het was moeilijk te begrijpen hoe zo’n kleine kern zoveel gas kon opzuigen, en dan niet volledig kon uitgroeien tot een planeet met de massa van Jupiter.’

Als WASP-107 b in plaats daarvan een groter deel van zijn massa in de kern zou hebben, zou de atmosfeer moeten zijn samengetrokken naarmate de planeet na verloop van tijd afkoelde sinds de vorming ervan. Zonder een warmtebron om het gas opnieuw uit te breiden zou de planeet veel kleiner zijn. Hoewel WASP-107 b een baanafstand heeft van slechts 8 miljoen kilometer (een zevende van de afstand tussen Mercurius en de zon), ontvangt hij niet genoeg energie van zijn ster om zo opgeblazen te worden.

"WASP-107 b is zo'n interessant doelwit voor Webb omdat het aanzienlijk koeler is en qua massa meer op Neptunus lijkt dan veel van de andere planeten met een lage dichtheid, de hete Jupiters, die we hebben bestudeerd", zegt David Sing van de Johns. Hopkins University (JHU), hoofdauteur van een parallel onderzoek dat vandaag ook in Nature is gepubliceerd .

"Als resultaat zouden we methaan en andere moleculen moeten kunnen detecteren die ons informatie kunnen geven over de chemie en interne dynamiek ervan die we niet kunnen krijgen van een hetere planeet."

Een schat aan voorheen niet-detecteerbare moleculen

De gigantische straal van WASP-107 b, de uitgestrekte atmosfeer en de randbaan maken hem ideaal voor transmissiespectroscopie, een methode die wordt gebruikt om de verschillende gassen in de atmosfeer van een exoplaneet te identificeren op basis van hoe ze het sterlicht beïnvloeden.

Door observaties van Webb's NIRCam (Near-Infrared Camera), Webb's MIRI (Mid-Infrared Instrument) en Hubble's WFC3 (Wide Field Camera 3) te combineren, kon het team van Welbanks een breed spectrum van 0,8 tot 12,2 micron geabsorbeerd licht opbouwen door de atmosfeer van WASP-107 b. Met behulp van Webb's NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) bouwde het team van Sing een onafhankelijk spectrum van 2,7 tot 5,2 micron.

De nauwkeurigheid van de gegevens maakt het mogelijk om niet alleen de overvloed aan moleculen, waaronder waterdamp (H₂), te detecteren, maar ook daadwerkelijk te meten. O), methaan (CH₄ ), kooldioxide (CO₂ ), koolmonoxide (CO), zwaveldioxide (SO₂ ) en ammoniak (NH₃ ).

Rokend gas, heet interieur en massieve kern

Beide spectra laten een verrassend gebrek aan methaan zien in de atmosfeer van WASP-107 b:een duizendste van de verwachte hoeveelheid op basis van de veronderstelde temperatuur.

“Dit is een bewijs dat heet gas van diep in de planeet zich krachtig moet vermengen met de koelere lagen hogerop”, legt Sing uit. "Methaan is onstabiel bij hoge temperaturen. Het feit dat we zo weinig hebben gedetecteerd, ook al hebben we andere koolstofhoudende moleculen gedetecteerd, vertelt ons dat het binnenste van de planeet aanzienlijk heter moet zijn dan we dachten."

Een waarschijnlijke bron van de extra interne energie van WASP-107 b is getijdenverwarming, veroorzaakt door zijn enigszins elliptische baan. Omdat de afstand tussen de ster en de planeet voortdurend verandert gedurende de 5,7 dagen durende baan, verandert ook de zwaartekracht, waardoor de planeet wordt uitgerekt en opgewarmd.

Onderzoekers hadden eerder voorgesteld dat getijdenverwarming de oorzaak zou kunnen zijn van de wallen van WASP-107 b, maar totdat de Webb-resultaten binnen waren, was er geen bewijs.

Toen ze eenmaal hadden vastgesteld dat de planeet voldoende interne warmte heeft om de atmosfeer grondig te laten opschudden, realiseerden de teams zich dat de spectra ook een nieuwe manier konden bieden om de grootte van de kern te schatten.

‘Als we weten hoeveel energie er op de planeet aanwezig is, en we weten welk deel van de planeet bestaat uit zwaardere elementen zoals koolstof, stikstof, zuurstof en zwavel, versus hoeveel waterstof en helium, kunnen we berekenen hoeveel massa er in moet zitten. de kern", legt Daniel Thorngren van JHU uit.

Het blijkt dat de kern minstens twee keer zo zwaar is als oorspronkelijk werd geschat, wat logischer is in termen van hoe planeten ontstaan.

Alles bij elkaar is WASP-107 b niet zo mysterieus als het ooit leek.

"De Webb-gegevens vertellen ons dat planeten zoals WASP-107 b niet op een vreemde manier hoefden te ontstaan ​​met een superkleine kern en een enorme gasachtige envelop", legt Mike Line van ASU uit. "In plaats daarvan kunnen we iets nemen dat meer op Neptunus lijkt, met veel gesteente en niet zo veel gas, gewoon de temperatuur verhogen en het opschuiven om er zo uit te zien."