Dar prieš kelis dešimtmečius mūsų Saulės sistemoje egzistavo vienintelės planetos, apie kurias žinojome, ir tai lėmė mūsų mąstymą apie planetų formavimąsi ir planetų chemiją. Dabar, kai nustatyta tiek daug egzoplanetų, turime daugybę dalykų, kurių dar niekada nematėme: mažyčius Neptūnus, superžemes, karštus Jupiterius.

Išsiaiškinti, ką mums sako visi šie nauji dalykai, yra šiek tiek mišri. Gana lengva nustatyti planetos tankį ir tai, kiek energijos ji gaus iš savo žvaigždės. Tačiau tam tikras tankis paprastai atitinka daugybę medžiagų – pavyzdžiui, kieta uoliena gali būti panaši į didelę mineralinę šerdį ir išpūstą atmosferą. O planetos temperatūra labai priklausys nuo tokių dalykų kaip jos atmosferos sudėtis ir nuo to, kiek šviesos atspindi jos paviršius.

Taigi sunku žinoti, į ką žiūrime, kai matome duomenis apie egzoplanetą. Tačiau sėkmingai veikiant Webb kosminiam teleskopui, pradedame judėti toliau. Žurnalo „Nature“ trečiadienio numeryje mokslininkai, naudodami naujojo teleskopo duomenis, daro išvadą apie karštų dujų milžino chemiją ir nustato, kad vyksta dalykų, kurių nepamatysime savo saulės sistemoje.

Didelis ir karštas

Tyrimo tikslas Egzoplaneta WASP-39b, kuris yra maždaug 700 šviesmečių nuo Žemės. Tai dujų milžinas, tačiau jo masė yra daug mažesnė nei Jupiterio – dviem trečdaliais. Nepaisant to, jis yra daug didesnis už Jupiterį, jo spindulys yra 1,7 karto didesnis. Labiausiai prie to prisideda tai, kad planetoje karšta. Jo orbitos spindulys yra mažesnis nei 5 procentai Žemės spindulio, o orbitai užbaigti prireikia šiek tiek daugiau nei keturių Žemės dienų. Žvaigždė, aplink kurią ji skrieja, taip pat nėra silpna nykštukė; Ji yra maždaug tokio pat dydžio kaip Saulė ir įkaitina planetą iki beveik 900 laipsnių Celsijaus.

Todėl WASP-39b nepanašus į jokią mūsų Saulės sistemos planetą. Dėl to tai puikus pasirinkimas norint aptikti dalykus, kurių nematytume arti namų. Tai taip pat patrauklus stebėjimų objektas, nes jo atmosfera tokia didelė. Tai reiškia, kad planetai slenkant tarp žvaigždės šeimininkės ir Žemės, daugiau žvaigždės šviesos praeis per WASP-39b atmosferą. Kai taip atsitiks, atmosferoje esančios cheminės medžiagos sugers tam tikrus bangos ilgius, sukurdamos parašą, kurį galime perskaityti norėdami sužinoti daugiau apie planetos formavimąsi.

Dėl šių priežasčių WASP-39b buvo viena pirmųjų planetų, kuriai buvo skirtas stebėjimas Webb teleskopu. Gauti duomenys rodo, kad planetos atmosferoje yra anglies dioksido ir sieros dioksido.

Abi cheminės medžiagos atsiranda Žemės atmosferoje, todėl jų buvimas šia prasme nėra didelis šokas. Tačiau Žemės atmosfera yra oksiduojanti aplinka, todėl oksiduojančios cheminės medžiagos yra svarbiausia. Priešingai, dujų milžinuose gausu vandenilio, kuris sudaro redukuojančią atmosferą. Turėtume matyti vandenį, metaną ir vandenilio sulfidą, o ne anglies dioksidą ir sieros dioksidą.

planetos chemija

Siekdama išsiaiškinti, kas vyksta, didelė tyrėjų grupė pritaikė tam tikrą programinę įrangą, kuri modeliuoja chemines reakcijas, kad veiktų su sąlygomis ir pirmtakais, kurie gali būti WASP-39b atmosferoje. Sąlygos buvo sukurtos naudojant bendrą planetos atmosferos cirkuliacijos modelį, sutelkiant dėmesį į rytinius ir vakarinius kraštutinumus – vietas, kur susitinka dienos ir nakties planetos pusės.

Šie modeliai parodė, kad yra būdų, kuriais gali susidaryti sieros dioksidas. Bet jie prasideda nuo vandens skaidymo ultravioletiniais spinduliais iš netoliese esančios žvaigždės. UV spinduliai padalija vandenį į dvi reaktyvias chemines medžiagas, vadinamas radikalais (konkrečiai H ir OH radikalais). Iš pradžių vandenilio radikalai pašalina vandenilį, palikdami sierą. Tada jis reaguoja su OH radikalu, jį oksiduodamas.

Modeliai prognozuoja, kad sieros dioksidas bus labiau paplitęs ryte, o tai yra vėsesnė nei vakarinė planetos pusė. Jie taip pat rodo, kad turėtume pamatyti pirmtakus, tokius kaip siera ir sieros dioksidas, tačiau jie nepaliktų pėdsakų per atmosferą sklindančiame žvaigždžių šviesoje.

Vienas iš įdomiausių dalykų yra tai, kad yra keletas priežasčių, kodėl tai neveikia mūsų saulės sistemoje. Pirma, visi dujų milžinai yra labai toli Saulės sistemoje ir negauna tiek daug ultravioletinės spinduliuotės. Tačiau didesnė problema yra ta, kad procesas yra labai jautrus sunkiųjų elementų ir vandenilio santykiui planetos atmosferoje (astronomų vadinamas planetos metališkumu). Netgi esant penkis kartus metališkesniems už mūsų saulę, jūs tiesiog nesudarote pakankamai sieros dioksido, kad gautumėte pėdsaką, kurį galėtume aptikti iš Žemės. Norint tinkamai pritaikyti Webb duomenis, jums reikia maždaug 10 kartų daugiau saulės energijos.

Priešingai, SO2 gamyba nėra labai jautri temperatūrai. Taigi neatrodo, kad WASP-39b būtų ypač karštas, jo gamyboje nėra jokio vaidmens. Tačiau Saulės sistemos dujų milžinuose temperatūra yra pakankamai žema, kad net susidarius sieros dioksidui jis greitai kondensuotųsi į aerozolio daleles arba su amoniaku įvyktų cheminės reakcijos. Bet kuris iš šių dviejų dalykų neleistų atsirasti tokiam spektriniam jo buvimo požymiui, kokį matome šviesoje, pratekėjusioje per WASP-39b atmosferą.

už Saulės sistemos ribų

Taigi, dėl visų šių priežasčių atrodo, kad WASP-39b atmosferoje yra cheminė aplinka, su kuria neturėtume tikėtis susidurti savo saulės sistemoje. Kai pradėsime vaizduoti papildomų planetų atmosferas, bus svarbu tai nepamiršti. Daugumoje mūsų nagrinėjamų atmosferų tikriausiai yra įvairių cheminių medžiagų, slėgio, temperatūrų ir radiacijos poveikio, kurie skiriasi vienas nuo kito, todėl gali sukelti chemiją, apie kurią mes nežinome.

Gamta, 2023 m. DOI: 10.1038 / s41586-023-05902-2 (apie DOI).