Homokfelhők kavarognak a közeli exobolygó légkörében

Egy "életgyanús", a K2-18b exobolygó művészi fantáziarajza

Vízgőz és kén-dioxid mellett homokfelhőket talált egy közeli exobolygó, a WASP-107b légkörében a James Webb űrteleszkóp. A bolygó atmoszférájában intenzív áramlások szállítják az anyagot és a hőt.

A Leuveni Királyi Egyetem (KU Leuven) Csillagászati Intézetének munkatársai által irányított, európai csillagászokból álló kutatócsoport a James Webb Űrteleszkóp közelmúltbeli megfigyelései alapján a WASP-107b jelű közeli exobolygó légkörét elemezte. A WASP-107b pelyhes atmoszférájának mélyére tekintve nemcsak vízgőzre és kéndioxidra, de szilikáthomokból álló felhőkre is bukkantak. A homokszemcsék egy dinamikusan kavargó légkör alkotói, amelyben élénk anyagáramlások zajlanak.

A csillagászok a világon mindenütt előszeretettel élnek a James Webb Űrteleszkóp hordozta Középső Infravörös Műszer (JWST MIRI) csúcstechnológiás képességeivel, melyek révén úttörő jelentőségű megfigyelések születnek a Naprendszeren kívüli bolygókkal, vagyis az exobolygókkal kapcsolatban. E más csillagok körül keringő egzotikus világok egyike a WASP-107b, egy egyedülálló tulajdonságokkal bíró gáznemű exobolygó, amely a mi Napunknál kissé hűvösebb és kisebb tömegű csillag kísérője. A bolygó tömege a Neptunuszéhoz hasonló, méretre azonban sokkal nagyobb annál: inkább a Jupitert közelíti, ezért a mi Naprendszerünk gázóriásaihoz képest állaga „pelyhesnek" mondható. Ez a laza konzisztencia teszi lehetővé a csillagászok számára, hogy mintegy ötvenszer mélyebbre nézzenek a bolygó légkörébe ahhoz a vizsgálati mélységhez képest, amilyet a saját gázóriásaink, például a Jupiter fürkészésekor elérhetünk.

Az európai csillagászcsapat maximálisan kihasználta az exobolygó pelyhes állaga nyújtotta lehetőségeket, és olyan mélyen pillantottak a légkörébe, ahogy csak tudtak. E ritka betekintés révén részletes ismereteket szereztek a légkör komplex kémiai összetételéről. A dolgukat az könnyítette meg, hogy a beérkező jel, vagyis a kiolvasható spektrális jellemzők jóval szembetűnőbbek egy ritkább légkörben a sűrűbbekhez képest.

A Nature-ben közzétett tanulmány lapjain a kutatók beszámolnak a vízgőz, a kéndioxid és a szilikátfelhők jelenlétéről, miközben figyelemre méltó módon a Földön üvegházhatású gázként ismert metánt nyomokban sem találták meg.

A WASP-107b és csillaga Forrás: LUCA School of Arts, Belgium/ Klaas Verpoest (visuals), Johan Van Looveren (typography). Science: Achrène Dyrek (CEA and Université Paris Cité, France), Michiel Min (SRON, the Netherlands), Leen Decin (KU Leuven, Belgium) / European MIRI EXO GTO team / ESA / NASA

Mire utalnak az adatok?

Az észlelések kulcsfontosságú bepillantást kínálnak e lenyűgöző exobolygó dinamikájába és kémiájába. Először, a metán hiánya potenciálisan meleg bolygóbelsőre utal, ami további izgalmas részleteket ígér a hőenergia légköri mozgásával kapcsolatban. Másodszor, a gyufafüst jellegzetes szagát adó kéndioxid jelenléte komoly meglepetést okozott, ugyanis korábbi modellek jóslatai alapján nem számítottak rá, ám a WASP-107b légkörének legújabb klímamodelljei azt mutatják, hogy pont a bolygó pelyhes állománya teszi lehetővé a kéndioxid légköri képződését. Bár a bolygó anyacsillaga – a Napnál hűvösebb lévén –viszonylag csekély arányban bocsát ki nagyenergiájú fotonokat, ez a kevés könnyűszerrel mélyre hatol a WASP-107b laza atmoszférájába.

Ez pedig már elegendő ahhoz, hogy a kéndioxidot előállító kémiai folyamatok végbemenjenek.

És itt nem érnek véget az érdekességek. A WASP-107b spektrumában mind a kéndioxid, mind a vízgőz jelei lényegesen halványabbak, mint amilyeneket egy felhő nélküli légkörben várnánk, aminek az az okat, hogy a magaslégköri felhők részben eltakarják az alacsonyabb rétegekben található vízgőzt és kéndioxidot. Bár közvetetten már más exobolygók esetében is lehetett következtetni felhők jelenlétére, ez az első olyan alkalom, hogy a csillagászok konkrétan be tudják azonosítani a felhők vegyi összetételét. A WASP-107b felhői történetesen apró szilikátrészecskékből állnak, vagyis hasonlatosak ahhoz a közönséges anyaghoz, amit a Földön széltében-hosszában homok néven ismerünk.

„A James Webb Űrteleszkóp forradalmasítja az exobolygók jellemzését azáltal, hogy eddig elképzelhetetlen szintű betekintést nyújt, méghozzá figyelemre méltó sebességgel – fogalmazott Leen Decin, a KU Leuven professzora és a cikk egyik vezető szerzője. –

A homokfelhők, víz és kéndioxid JWST MIRI általi azonosítása ezen a pelyhes állagú exobolygón mérföldkőnek tekinthető. Átformálja a bolygók kialakulásáról és fejlődéséről alkotott eddigi elképzeléseinket, s ezzel a saját Naprendszerünket is új fényben tünteti fel."

Ellentétben a földi légkörrel, ahol az alacsony hőmérsékleteken a víz az, ami megfagy, a gázbolygók 1000°C-ot is elérő atmoszférikus hőmérsékletén a szilikátrészecskék azok, amelyek kikristályosodva felhőket alkotnak. A WASP-107b esetében, amelynek külső légköri hőmérséklete 500°C körüli, a hagyományos modellek azt jósolták, hogy a szilikátfelhők beljebb, a légkör alacsonyabb és lényegesen forróbb rétegeiben képződnek. Ezen kívül a magasra emelkedő szilikátfelhőkből szilikátesőnek kellene kicsapódnia, amely aláhullik. Hogyan lehetséges akkor mégis, hogy ezek a felhők tartósan fennmaradnak a bolygó magaslégkörében?

„A tény, hogy ezeket a szilikátfelhőket a légkör magas rétegeiben látjuk, arra utal, hogy a homokeső részecskéi az alacsonyabb, rendkívül forró rétegekben elpárolognak, és a keletkező szilikátgőz felszáll, majd odafönn újra kicsapódik és szilikátfelhőket képez – fejti ki Michiel Min, a cikk egyik további vezető szerzője. – Ez nagyon hasonlít a mi Földünkön zajló vízgőz-felhő ciklusra, csak itt az esőcseppek víz helyett szilikátból állnak." A párolgás és kondenzáció állandó körforgása, amelyet a szilikát függőleges irányú transzportja biztosít, megmagyarázza a homokfelhők tartós jelenlétét a WASP-107b magaslégkörében.

Forradalom a bolygók légkörének vizsgálatában

Ez az úttörő jellegű munka nemcsak a WASP-107b egzotikus világába kínál bepillantást, hanem általánosságban kiterjeszti az exobolygók légkörével kapcsolatos tudásunkat. Azáltal, hogy feltárja a vegyületek és a klimatikus viszonyok együtthatását egy távoli világban, új szintre lépteti az exobolygók kutatását.

A James Webb Űrteleszkóp egy olyan exobolygó légkörének beható tanulmányozását tette lehetővé, amilyenhez hasonlót a saját naprendszerünkben nem találunk. Új világok tárulnak fel előttünk"

– nyilatkozta Achrène Dyrek, aki szintén vezető szerzőként járult hozzá a közleményhez.