يسبر تلسكوب ويب الكيمياء في الغلاف الجوي لعملاق الغاز الساخن – Ars Technica

حتى عقود قليلة ماضية ، كانت الكواكب الوحيدة التي عرفنا عنها موجودة في نظامنا الشمسي ، وهذا شكل الطريقة التي فكرنا بها في تكوين الكواكب وكيمياء الكواكب. الآن ، مع تحديد عدد كبير من الكواكب الخارجية ، لدينا الكثير من الأمثلة لأشياء لم نرها من قبل: نبتون صغيرة ، وكواكب الأرض الفائقة ، وكواكب المشتري الساخنة.

إن اكتشاف ما تخبرنا به كل هذه الأشياء الجديدة هو عبارة عن حقيبة مختلطة نوعًا ما. من السهل نسبيًا تحديد كثافة الكوكب ومقدار الطاقة التي سيتلقاها من نجمه المضيف. لكن كثافة معينة تتوافق عادةً مع مجموعة من المواد – يمكن أن تعمل الصخور الصلبة لتكون مماثلة لقلب معدني كبير وجو منتفخ ، على سبيل المثال. وستعتمد درجة حرارة الكوكب بشكل كبير على أشياء مثل تكوين غلافه الجوي ومقدار الضوء الذي يعكسه سطحه.

لذا فإن معرفة ما ننظر إليه عندما نرى بيانات على كوكب خارج المجموعة الشمسية أمر صعب. ولكن مع التشغيل الناجح لتلسكوب Webb Space Telescope ، بدأنا في المضي قدمًا قليلاً. في عدد الأربعاء من مجلة Nature ، استخدم العلماء بيانات من التلسكوب الجديد لاستنتاج كيمياء عملاق الغاز الساخن ووجدوا أن هناك أشياء تحدث لن نراها في نظامنا الشمسي.

كبير وساخن

الهدف من التحقيق كوكب خارج المجموعة الشمسية WASP-39b، والتي تبعد حوالي 700 سنة ضوئية عن الأرض. إنه عملاق غازي ، لكن كتلته أصغر بكثير من كتلة المشتري ، بمقدار الثلثين. على الرغم من ذلك ، فهو أكبر بكثير من كوكب المشتري ، حيث يبلغ نصف قطره 1.7 مرة. المساهم الأكبر في ذلك هو حقيقة أن الكوكب ساخن. نصف قطرها المداري أقل من 5 في المائة من نصف قطر الأرض ، ولا يستغرق الأمر أكثر من أربعة أيام على الأرض قليلاً لإكمال المدار. النجم الذي يدور حوله ليس قزمًا خافتًا أيضًا ؛ إنها تقريبًا بنفس حجم الشمس وتسخن الكوكب إلى ما يقرب من 900 درجة مئوية.

لذلك ، WASP-39b لا يشبه أيًا من الكواكب في نظامنا الشمسي. مما يجعله خيارًا رائعًا لاكتشاف الأشياء التي لا نراها بالقرب من المنزل. إنه أيضًا هدف جذاب للملاحظات لأن غلافه الجوي كبير جدًا. هذا يعني أنه بينما يمر الكوكب بين نجمه المضيف والأرض ، فإن المزيد من الضوء القادم من النجم سيمر عبر الغلاف الجوي لـ WASP-39b. عندما يحدث ذلك ، ستمتص المواد الكيميائية الموجودة في الغلاف الجوي أطوال موجية محددة ، مما يخلق توقيعًا يمكننا قراءته لمعرفة المزيد عن تكوين الكوكب.

لهذه الأسباب ، كان WASP-39b أحد الكواكب الأولى المستهدفة للرصد بواسطة تلسكوب ويب. تشير البيانات التي تم الحصول عليها إلى أن الغلاف الجوي للكوكب يحتوي على ثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكبريت.

تظهر كلتا المادتين الكيميائيتين في الغلاف الجوي للأرض ، لذا فإن وجودهما لا يمثل صدمة كبيرة بهذا المعنى. لكن الغلاف الجوي للأرض هو بيئة مؤكسدة ، لذا فإن المواد الكيميائية المؤكسدة هي الأساس. على النقيض من ذلك ، فإن عمالقة الغاز غنية بالهيدروجين ، مما يجعل الغلاف الجوي مختزلًا. يجب أن نرى الماء والميثان وكبريتيد الهيدروجين ، وليس ثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكبريت.

كيمياء الكوكب

لمعرفة ما كان يجري ، قام فريق بحث كبير بتكييف بعض البرامج التي تقوم بنمذجة التفاعلات الكيميائية للعمل مع الظروف والمواد الأولية التي يحتمل أن تكون موجودة في الغلاف الجوي لـ WASP-39b. تم إنشاء الظروف باستخدام نموذج الدوران العام للغلاف الجوي للكوكب ، مع التركيز على النهايات الصباحية والمسائية – المواقع التي تلتقي فيها جوانب النهار والليل من الكوكب.

أظهرت هذه النماذج أن هناك مسارات يمكن أن تشكل ثاني أكسيد الكبريت. لكنهم يبدأون بتفكك الماء بواسطة الأشعة فوق البنفسجية من النجم القريب. تقسم الأشعة فوق البنفسجية الماء إلى مادتين كيميائيتين تفاعليتين تسمى الجذور (جذور H و OH ، على وجه التحديد). في البداية ، تجرد جذور الهيدروجين الهيدروجين ، تاركة الكبريت وراءها. ثم يتفاعل ذلك مع جذور OH ، ويؤكسده.

تتنبأ النماذج بأن ثاني أكسيد الكبريت سيكون أكثر شيوعًا في فاصل الصباح ، وهو أكثر برودة من الجانب المسائي من الكوكب. يقترحون أيضًا أننا يجب أن نرى سلائف مثل الكبريت وثاني أكسيد الكبريت ، لكن هذه لن تترك بصمة على ضوء النجوم الذي يمر عبر الغلاف الجوي.

أحد الأشياء الأكثر إثارة للاهتمام حول هذا هو أن هناك عدة أسباب لعدم نجاح هذا الأمر بشكل جيد في نظامنا الشمسي. أولاً ، جميع عمالقة الغاز بعيدون جدًا في النظام الشمسي ولا يتلقون نفس القدر من الأشعة فوق البنفسجية. لكن المشكلة الأكبر هي أن العملية حساسة جدًا لنسبة العناصر الثقيلة إلى الهيدروجين في الغلاف الجوي للكواكب (يشار إليها من قبل علماء الفلك بمعدنية الكوكب). حتى في خمسة أضعاف معدنية شمسنا ، فأنت ببساطة لا تشكل ما يكفي من ثاني أكسيد الكبريت لإنتاج توقيع يمكننا اكتشافه من الأرض. أنت بحاجة إلى ما يقرب من 10 أضعاف المعدن الشمسي لإنتاج ملاءمة جيدة لبيانات Webb.

على النقيض من ذلك ، لا يبدو أن إنتاج ثاني أكسيد الكبريت حساس جدًا لدرجة الحرارة. لذا لا يبدو أن كون WASP-39b ساخنًا للغاية يلعب دورًا في إنتاجه. ولكن في عمالقة الغاز في النظام الشمسي ، تكون درجات الحرارة منخفضة بما يكفي ، حتى لو تشكل ثاني أكسيد الكبريت ، فإنه سيتكثف بسرعة في جزيئات الهباء الجوي أو يخضع لتفاعلات كيميائية مع وجود الأمونيا. أي من هذين الأمرين سيمنع هذا النوع من التوقيع الطيفي لوجوده الذي نراه في الضوء الذي مر عبر الغلاف الجوي لـ WASP-39b.

خارج النظام الشمسي

لذلك ، لكل هذه الأسباب ، يبدو أن الغلاف الجوي لـ WASP-39b يستضيف بيئة كيميائية لا ينبغي أن نتوقع مواجهتها في نظامنا الشمسي. عندما نبدأ في تصوير الأغلفة الجوية للكواكب الإضافية ، سيكون من المهم أن نضع ذلك في الاعتبار. من المحتمل أن تحتوي معظم الأجواء التي ننظر إليها على مزيج من المواد الكيميائية والضغوط ودرجات الحرارة والتعرض للإشعاع التي تختلف عن بعضها البعض ، وبالتالي يمكنها أن تلعب دور المضيف للكيمياء التي لا نعرفها.

الطبيعة ، 2023. DOI: 10.1038 / s41586-023-05902-2 (حول DOIs).