ウェッブ宇宙望遠鏡が、ふわふわした系外惑星「マシュマロマイクロウェーブ」の事例を明らかにした。

メタンの突然の欠如は、潮汐加熱によって温暖ガス巨大惑星 WASP-107 b の大気が膨張したことを示唆しています。

なぜ暖かいガスは巨大だと考えられるのでしょうか? 系外惑星 WASP-107b 腫れすぎませんか？ 電子レンジで加熱したマシュマロと同等の適度な温度と非常に低い密度を備えているため、惑星の形成と進化に関する標準的な理論を無視しているようです。

2 つの独立した研究チームは、それを解明したと考えています。 ウェッブからのデータとハッブルからの以前の観測を組み合わせると、WASP-107 b の内部は以前の推定よりもはるかに高温であるはずであることが示されています。 この予想外の高温は、惑星を愚かなパテのように引き伸ばす潮汐力によって引き起こされると考えられており、WASP-107 b のような惑星がどのようにしてこれほど浮力を持ち得るのかを説明し、おそらく系外惑星科学における長年の謎を解決する可能性がある。

このアーティストのコンセプトは、NASA のジェームズ ウェッブ宇宙望遠鏡によって収集された最近のデータと、ハッブルやその他の宇宙および地上の望遠鏡による以前の観測に基づいて、系外惑星 WASP-107 b がどのように見えるかを示しています。 WASP-107 b は、地球から約 210 光年離れた、おとめ座にある小さくて比較的冷たい恒星の周りを周回する「暖かい海王星」系外惑星です。 この惑星は体積で木星の約 80% の大きさですが、質量は木星の 10% 未満であり、知られている中で最も質量の軽い系外惑星の 1 つです。 画像クレジット: NASA、ESA、カナダ宇宙機関、ラルフ クロフォード (STScI)

ウェッブ宇宙望遠鏡が膨張した系外惑星の事例を明らかにする

温暖ガス巨大惑星 WASP-107 b はなぜこれほど膨れ上がっているのでしょうか? 2 つの独立した研究チームがその答えを導き出しました。

NASA のジェームズ ウェッブ宇宙望遠鏡を使用して収集されたデータと、NASA のハッブル宇宙望遠鏡による以前の観測では、微量のメタン (CH) が存在することが示されています。₄) 地球の大気中に存在します。 これは、WASP-107 b の内部がかなり熱く、炉心は以前の推定よりもはるかに大きいはずであることを示唆しています。

予想外の高温は、惑星のわずかに不規則な軌道によって引き起こされる潮汐加熱の結果であると考えられており、WASP-107 bがどのように形成されたかについて極端な理論に頼ることなくどのようにして膨張できたのかを説明できる可能性がある。

この結果は、ウェッブ氏の卓越した感度と、それに伴う系外惑星の大気を通過する光の測定能力によって可能となり、数十の低密度系外惑星の膨張を説明できる可能性があり、系外惑星科学における長年の謎の解明に役立つ可能性がある。

WASP-107bの問題

4分の3以上の大きさ 木星 しかし、「暖かい」のは質量の10分の1にも満たない。 ネプチューン系外惑星 WASP-107 b は、既知の惑星の中で最も密度が低いものの 1 つです。 バルジ惑星は珍しいことではありませんが、ほとんどの惑星はより熱く、より重いため、説明が容易です。

アリゾナ州立大学（ASU）のルイス・ウィルバンクス氏は、「半径、質量、年齢、想定される内部温度に基づいて、WASP-107 bは非常に小さな岩石の核があり、その周囲を巨大な水素とヘリウムの塊が取り囲んでいると考えた」と説明した。 5月20日に同誌に掲載された論文の主著者 自然。 「しかし、これほど小さな核がどのようにして大量のガスを巻き上げ、木星質量惑星への成長を完全に止めることができるのかを理解するのは困難でした。」

NASA のハッブル宇宙望遠鏡とジェームス ウェッブ宇宙望遠鏡で撮影されたこの透過スペクトルは、巨大ガス系外惑星 WASP-107 b の大気によって遮られる星の光のさまざまな波長 (色) の量を示しています。
このスペクトルには、ハッブルの WFC3 (0.8 ～ 1.6 ミクロン)、ウェッブの NIRCam (2.4 ～ 4.0 ミクロンおよび 3.9 ～ 5.0 ミクロン)、ウェッブの MIRI (5 ～ 12 ミクロン) の合計 3 つの異なる機器を使用した 5 つの別々の観測によって収集された光が含まれています。 各測定セットは、惑星が星の表面を横切るときの通過前、通過中、通過後の約 10 時間、惑星 – 星系を観察することによって行われました。
惑星の大気を通してフィルターされた光（透過光）の明るさをフィルターされていない星の光と比較することにより、各波長がどの程度大気によって遮断されるかを計算することができます。 各分子は固有の波長の組み合わせを吸収するため、透過スペクトルを使用してさまざまなガスの存在量を制限できます。
このスペクトルは、地球の大気中に水 (H2O)、二酸化炭素 (CO2)、一酸化炭素 (CO)、メタン (CH4)、二酸化硫黄 (SO2)、アンモニア (NH3) が存在することを示す明らかな証拠を示しており、研究者らは次のように推定しています。惑星の内部大気。 原子核の温度と質量。
光から中赤外までの波長範囲は、これまでの系外惑星の透過スペクトルの中で最も広く、宇宙望遠鏡による系外惑星の大気中のアンモニアの最初の検出も含まれています。
画像クレジット: NASA、ESA、CSA、Ralf Crawford (STScI)、Luis Welbanks (ASU)、JWST MANATEE チーム

WASP-107 b の質量がその中心よりも大きかった場合、惑星が形成されてから時間の経過とともに冷却されるにつれて、大気は縮小したはずです。 ガスを再膨張させるための熱源がなければ、地球はさらに小さくならざるを得ません。 WASP-107 b の軌道距離はわずか 500 万マイル (水星と太陽の間の距離の 7 分の 1) ですが、それほど膨張するのに十分なエネルギーを星から受け取っていません。

「WASP-107 bは、我々が研究してきた熱木星などの他の多くの低密度惑星よりもかなり低温で、質量が海王星に似ているため、ウェッブにとって興味深いターゲットだ」とデビッド・シン氏は述べた。ジョーンズ大学。 ホプキンス大学 (JHU)、A の主著者 並行学習 本日も掲載されました 自然。 「その結果、メタンやその他の分子を検出できるようになり、より高温の惑星からは得られないその化学的性質や内部ダイナミクスに関する情報が得られるはずです。」

これまで検出できなかった豊富な分子

WASP-107 b の巨大な半径、拡張された大気、エッジオン軌道は、星の光にどのように影響するかに基づいて系外惑星大気中のさまざまなガスを識別するために使用される方法である透過分光法に最適です。

ウェブバンクのチームは、ウェブの NIRCam (近赤外線カメラ)、ウェブの MIRI (中赤外線計測器)、ハッブルの WFC3 (広視野カメラ 3) からの観測を組み合わせることで、0.8 ～ 12.2 ミクロンの広範囲の吸収光を構築することができました。 。 WASP-107の雰囲気による ｂ． Webb の NIRSpec (近赤外分光計) を使用して、Sing のチームは 2.7 ～ 5.2 ミクロンをカバーする独立したスペクトルを構築しました。

データの精度により、水蒸気 (H₂O) およびメタン (CH₄)、二酸化炭素(CO₂)、一酸化炭素(CO)、二酸化硫黄(SO)₂) およびアンモニア (NH₃）。

ウェッブの近赤外分光器で撮影されたこの透過スペクトルは、巨大ガス惑星 WASP-107 b の大気によって遮断された近赤外星の光のさまざまな波長 (色) の量を示しています。
このスペクトルは、惑星が星の表面を横切るときの通過前、通過中、通過後の約 8.5 時間、惑星-星系を観察することによって作成されました。
惑星の大気を通してフィルターされた光（透過光）の明るさをフィルターされていない星の光と比較することにより、各波長がどの程度大気によって遮断されるかを計算することができます。 各分子は固有の波長の組み合わせを吸収するため、透過スペクトルを使用してさまざまなガスの存在量を制限できます。
このスペクトルは、地球の大気中に水 (H2O)、二酸化炭素 (CO2)、一酸化炭素 (CO)、メタン (CH4)、および二酸化硫黄 (SO2) が存在することを示す明確な証拠を示しており、研究者は内部の温度と温度を推定することができます。惑星の質量。 エッセンス。
画像クレジット: NASA、ESA、CSA、Ralf Crawford (STScI)、David Sing (JHU)、NIRSpec GTO Transiting Exoplanet Team

沸騰ガス、高温の内部、巨大な核

両方のスペクトルは、惑星 WASP-107 b の大気中にメタンが驚くほど不足していることを示しています。その量は、推定温度に基づいて予想される量の 1,000 分の 1 です。

「これは、惑星の深部から来る高温ガスが上層のより冷たい層と強く混合するはずであるという証拠です」とシン氏は説明した。 「メタンは高温では不安定です。他の炭素含有分子が検出されたにもかかわらず、検出された量が非常に少ないという事実は、地球の内部が私たちが考えているよりもはるかに高温であることを示しています。」

WASP-107 b のさらなる内部エネルギーの発生源は、そのわずかに楕円形の軌道によって生成される潮汐加熱であると考えられます。 恒星と惑星の間の距離が 5.7 日間にわたって継続的に変化すると、重力も変化し、惑星が膨張して加熱されます。

研究者らは以前、潮汐加熱がWASP-107 bの膨張の原因である可能性があると示唆していたが、ウェッブ氏の結果が出るまで証拠はなかった。

惑星が大気を完全に活性化するのに十分な内部熱を持っていることが確認されると、チームはスペクトルが核のサイズを推定する新しい方法を提供する可能性があることに気づきました。

「地球上にどのくらいのエネルギーがあるのか​​、そして水素やヘリウムの量に対して炭素、窒素、酸素、硫黄などのより重い元素がどのくらいの割合で存在するのかが分かれば、惑星の質量を計算することができます。すべきだった。” JHUのダニエル・ソーングレン氏が説明する。

核の質量は当初の推定値の少なくとも2倍であることが判明し、これは惑星がどのように形成されるかを考えるとより理にかなっています。

全体として、WASP-107 b は以前に登場したほど謎めいたものではありません。

「ウェッブのデータは、WASP-107 b のような惑星が、非常に小さな核と巨大なガスのエンベロープを備えた奇妙な方法で形成される必要がなかったことを示しています」とアリゾナ州立大学のマイク・レーンは説明した。 「代わりに、岩石が多くガスがあまり含まれていない海王星のようなものを使用し、温度を上げて同じように見えるように動かすこともできます。」

参考文献：「暖かい系外惑星海王星の高い内部熱流束と大きな核」ルイス・ウィルバンクス、テイラー・J・ベル、トーマス・J・ビーティ、マイケル・R・レーン、小野和正、ジョナサン・J・フォートニー、エヴェレット・シュルワイン、トーマス・P. グリーン、エミリー ラウシャー、ピーター マッギル、マシュー マーフィー、ヴィヴィアン パルマンティエ、ヤオ タン、アイザック エデルマン、サージニク ムカルジー、リンゼイ S. ワイザー、ピエール＝オリヴィエ・ラゲージ、アクレン・デレク、ケネス・E・アーノルド、2024年5月20日、 自然。
土井: 10.1038/s41586-024-07514-s

の ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡 これは世界初の宇宙科学天文台です。 ウェッブは太陽系の謎を解き明かし、他の星の周囲の遠い世界を超えて、私たちの宇宙とその中での私たちの位置の神秘的な構造と起源を探求します。 WEBは国際主導のプログラムです NASA パートナーである欧州宇宙機関 (ESA) と協力して欧州宇宙機関）およびCSA（カナダ宇宙庁）。