Hubble wykrywa egzoplanetę ze świecącą wodną atmosferą

Źródło: Engine House VFX, At-Bristol Science Centre, University of Exeter

Naukowcy odkryli najsilniejsze jak dotąd dowody na istnienie stratosfery na potężnej planecie spoza naszego układu planetarnego, z atmosferą charakteryzującą się temperaturami wyższymi od temperatury wrzenia żelaza.

Międzynarodowy zespół badaczy kierowany przez naukowców z University of Exeter, dokonał tego odkrycia obserwując świecące cząsteczki wody w atmosferze egzoplanety WASP-121b za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble’a.

W celu zbadania stratosfery gazowego olbrzyma, czyli tej warstwy atmosfery, w której temperatura wzrasta z wysokością – naukowcy wykorzystali metody spektroskopowe do zbadania zmian jasności planety w zależności od długości fali promieniowania.

Para wodna w atmosferze planety zachowuje się w przewidywalny sposób pod wpływem różnej długości promieniowania, w zależności od temperatury wody. W niższych temperaturach, para wodna znajdująca się w górnych warstwach atmosfery blokuje światło o określonej długości fali emitowane z tych warstw atmosfery, które znajdują się bliżej powierzchni planety. Jednak w wyższych temperaturach cząsteczki wody w górnej warstwie atmosfery zaczynają świecić na tych długościach fali.

To zjawisko przypomina procesy zachodzące podczas wybuchu fajerwerków, których kolery zależą od składu chemicznego substancji emitującej światło. Gdy substancje metaliczne są podgrzewane i odparowywane, ich wzbudzone elektrony przenoszą się na wyższe poziomy. W zależności od składu chemicznego, owe elektrony będą emitowały światło na określonych długościach fali pozbywając się nadmiaru energii: sód wytworzy barwę pomarańczowo-żółtą, a stront czerwoną.

Cząsteczki wody znajdujące się w atmosferze WASP-121b podobnie emitują światło pozbywając się energii, jednak emitowane przez nie światło przypada na zakres promieniowania podczerwonego, niewidzialnego dla ludzkiego oka.

Wyniki badań opublikowano w wiodącym periodyku naukowym Nature.

„Teoretyczne modele wskazują, że stratosfery mogą definiować specjalną klasę ultra-gorących egzoplanet, co może mieć znaczące implikacje dla naszych badań fizyki i chemii atmofer”, mówi dr Tom Evans, główny autor opracowania i badacz na University of Exeter. „Gdy skierowaliśmy Hubble’a w stronę WASP-121b zobaczyliśmy świecące cząsteczki wody wskazujące, że planeta ta ma wyraźną stratosferę”.

WASP-121b znajdująca się około 900 lat świetlnych od Ziemi jest gazowym olbrzymem z klasy zwanej gorącymi jowiszami, choć charakteryzującym się wyższą masą i promieniem od Jowisza. Egzoplaneta okrąża swoją gwiazdę macierzystą w czasie 1,3 dnia, a jej odległość od gwiazdy znajduje się blisko granicy, po przekroczeniu której grawitacja gwiazdy po prostu by ją rozerwała.

Ta bliskość oznacza, że górne warstwy atmosfery rozgrzewane są przez gwiazdę do 2500 stopni Celsjusza – temperatury, w której żelazo jest w stanie gazowym, a nie stałym.

Źródło: NASA, ESA, and G. Bacon (STSci)

W ziemskiej stratosferze ozon przechwytuje promieniowanie ultrafioletowe ze Słońca, które podnosi temperaturę tej warstwy atmosfery. Inne obiekty układu słonecznego także posiadają stratosfery – metan odpowiedzialny jest za ogrzewanie stratosfer Jowisza i Tytana, księżyca Saturna. W przypadku planet Układu Słonecznego, zmiana temperatury wewnątrz stratosfery zazwyczaj nie przekracza 100 stopni Celsjusza. Jednak w przypadku WASP-121b, temperatura w stratosferze rośnie aż o 1000 stopni Celsjusza.

„Udało nam się zmierzyć silny wzrost temperatury w atmosferze WASP-121b na dużych wysokościach, jednak jak na razie nie wiemy co odpowiada za ten dramatyczny wzrost”, mówi Nikolay Nikolov, współautor opracowania i badacz na University of Exeter. „Liczymy na rozwiązanie tej zagadki po przeprowadzeniu kolejnych obserwacji w innych zakresach promieniowania”.

Potencjalnym źródłami ogrzewania są tlenek wanadu i tlenek tytanu, bowiem silnie pochłaniają promieniowanie w zakresie widzialnym, podobnie jak ozon pochłania promieniowanie ultrafioletowe. Związki te są obecne tylko w najgorętszych gorących jowiszach takich jak WASP-121b, bowiem potrzebują one wysokich temperatur, aby pozostawać w stanie gazowym.

De facto obydwa te związki są powszechnie obserwowane w brązowych karłach, nieudanych gwiazdach, które mają wiele wspólnego z egzoplanetami.

Źródło: University of Exeter