Webb ujawnia pochodzenie skrajnie gorącej egzoplanety WASP-121b
Wykrycie metanu i krzemu w atmosferze sugeruje, że powstał on w regionie analogicznym do obszaru lodowych i gazowych olbrzymów Układu Słonecznego.
![]() |
Wizja artystyczna przedstawia etap, na którym WASP-121b zgromadziła większość swojego gazu. Źródło: T. Müller (MPIA/HdA - CC BY-SA) |
Obserwacje za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba dostarczyły nowych wskazówek na temat tego, jak powstała egzoplaneta WASP-121b i gdzie mogła powstać w dysku gazu i pyłu wokół swojej gwiazdy. Spostrzeżenia te wynikają z wykrycia kluczowych cząsteczek: pary wodnej, tlenku węgla, tlenku krzemu i metanu. Dzięki tym odkryciom, zespół kierowany przez astronomów Thomasa Evansa-Somę i Cyrila Gappa był w stanie dokonać inwentaryzacji węgla, tlenu i krzemu w atmosferze WASP-121b. Wykrycie metanu w szczególności sugeruje również silne pionowe wiatry na chłodniejszej nocnej stronie, proces często ignorowany w obecnych modelach.
WASP-121b to skrajnie gorący olbrzym, który krąży wokół swojej gwiazdy macierzystej w odległości zaledwie około dwa razy większej od średnicy gwiazdy, wykonując jedno okrążenie w ciągu około 30,5 godziny. Planeta ma dwie odrębne półkule: jedną, która zawsze jest zwrócona w stronę gwiazdy macierzystej, z temperaturami lokalnie przekraczającymi 3000 stopni Celsjusza, oraz pogrążoną w mroku nocną stronę, gdzie temperatury spadają do 1500 stopni.
Temperatury po stronie dziennej są wystarczająco wysokie, aby materiały ogniotrwałe – zazwyczaj stałe związki odporne na silne ciepło – mogły istnieć jako gazowe składniki atmosfery planety – wyjaśnił Thomas Evans-Soma. Jest on astronomem związanym z Instytutem Astronomii Maxa Plancka (MPIA) w Heidelbergu w Niemczech i Uniwersytetem w Newcastle w Australii. Kierował badaniami, których wyniki opublikowano w Nature Astronomy 2 czerwca 2025 roku.
Odsłonięcie miejsca narodzin WASP-121b
Zespół zbadał obfitość związków, które parują w bardzo różnych temperaturach, dostarczając wskazówek na temat powstawania i ewolucji planety. Materiały gazowe są łatwiejsze do zidentyfikowania niż ciecze i cała stałe – zauważył student MPIA Cyril Gapp, główny autor drugiej pracy opublikowanej 2 czerwca 2025 roku w The Astronomical Journal. Ponieważ wiele związków chemicznych występuje w postaci gazowej, astronomowie wykorzystują WASP-121b jako naturalne laboratorium do badania właściwości atmosfer planetarnych.
Zespół doszedł do wniosku, że WASP-121b prawdopodobnie zgromadziła większość swojego gazu w regionie wystarczająco zimnym, aby woda pozostała zamrożona, ale wystarczająco ciepłym, aby metan (CH4) mógł odparować i istnieć w postaci gazowej. Ponieważ planety tworzą się w dyskach gazu i pyłu otaczających młode gwiazdy, takie warunki występują w odległościach, w których promieniowanie gwiazdowe wytwarza odpowiednie temperatury.
W naszym Układzie Słonecznym region ten leży gdzieś pomiędzy orbitami Jowisza i Urana. Jest to niezwykłe, biorąc pod uwagę, że WASP-121b krąży obecnie niebezpiecznie blisko powierzchni swojej gwiazdy macierzystej. Sugeruje to, że po uformowaniu odbyła długą podróż z lodowych regionów zewnętrznych do centrum układu planetarnego.
Rekonstrukcja pełnej wydarzeń młodości WASPA-121b
Krzem został wykryty jako gazowy tlenek krzemu (SiO), ale pierwotnie dostał się na planetę poprzez materiał skalisty, taki jak kwarc, przechowywany w planetozymalach – zasadniczo asteroidach – po przejęciu większości jego gazowej otoczki. Tworzenie się planetozymali wymaga czasu, co wskazuje, że proces ten miał miejsce na późniejszych etapach rozwoju planety.
Względna obfitość węgla, tlenu i krzemu oferują wgląd w to, jak ta planeta uformowała się i pozyskała swój materiał – powiedział Thomas Evans-Soma.
Formowanie się planet rozpoczyna się od lodowych cząstek pyłu, które sklejają się ze sobą i stopniowo rosną w kamyki o rozmiarach od centymetra do metra. Przyciągają one otaczający gaz i małe cząsteczki, przyspieszając ich wzrost. Są to zalążki przyszłych planet, takich jak WASP-121b. Przyciąganie przez otaczający gaz powoduje, że poruszające się kamyki po spirali opadają w kierunku gwiazdy. W miarę migracji osadzony w nich lód zaczyna parować w cieplejszych wewnętrznych regionach dysku.
Podczas gdy młode planety krążą wokół swoich gwiazd macierzystych, mogą urosnąć na tyle duże, aby wytworzyć znaczne luki w dysku protoplanetarnym. Zatrzymuje to dryf kamyków do wewnątrz i zaopatrzenie w osadzony lód, ale pozostawia wystarczającą ilość gazu, aby zbudować rozszerzoną atmosferę.
W przypadku WASP-121b wydaje się, że działo się to w miejscu, w którym kamyki metanu wyparowały, wzbogacając gaz dostarczany przez planetę w węgiel. W przeciwieństwie do tego, kamyki wody pozostały zamrożone, blokując tlen. Ten scenariusz najlepiej wyjaśnia, dlaczego Evans-Soma i Gapp zaobserwowali wyższy stosunek węgla do tlenu w atmosferze planety niż w jej gwieździe macierzystej. WASP-121b nadal przyciągała gaz bogaty w węgiel po tym, jak przepływ kamyków bogatych w tlen ustał, ustalając ostateczny skład jej powłoki atmosferycznej.
Do wykrycia metanu potrzebne są silne prądy pionowe
Wraz ze zmianą temperatury atmosfery oczekuje się, że ilość różnych cząsteczek, takich jak metan i tlenek węgla, będą się zmieniać. W bardzo wysokich temperaturach po stronie dziennej WASP-121b, metan jest wysoce niestabilny i nie będzie obecny w wykrywalnych ilościach. Astronomowie ustalili, że w przypadku planet takich jak WASP-121b gaz z półkuli dziennej powinien mieszać się ze stosunkowo chłodną półkulą nocną szybciej niż skład gazu może dostosować się do niższych temperatur. Zgodnie z tym scenariuszem można by oczekiwać, że obfitość metanu będzie znikoma po stronie nocnej, podobnie jak po stronie dziennej. Gdy astronomowie wykryli obfitość metanu po nocnej stronie WASP-121b, było to całkowitym zaskoczeniem.
Aby wyjaśnić ten wynik, zespół zaproponował, że metan musi być szybko uzupełniany po stronie nocnej, aby utrzymać jego wysoką obfitość. Prawdopodobny mechanizm tego procesu obejmuje silne prądy pionowe unoszące metan z niższych warstw atmosfery, które są bogate w metan dzięki stosunkowo niskim temperaturom po stronie nocnej w połączeniu z wysokim stosunkiem węgla do tlenu w atmosferze. Stanowi to wyzwanie dla modeli dynamiki egzoplanet, które prawdopodobnie będą musiały zostać dostosowane, aby odtworzyć silne pionowe mieszanie, które odkryliśmy po nocnej stronie WASP-121b – powiedział Evans-Soma.
Rola JWST w dokonaniu odkrycia
Zespół wykorzystał spektrograf bliskiej podczerwieni JWST (NIRSpec) do obserwacji WASP-121b przez całą jej orbitę wokół gwiazdy macierzystej. Gdy planeta obraca się wokół własnej osi, promieniowanie cieplne odbierane z jej powierzchni zmienia się, wystawiając różne części napromieniowanej atmosfery na działanie teleskopu. Pozwoliło to zespołowi scharakteryzować warunki i skład chemiczny dziennej i nocnej części planety.
Astronomowie przeprowadzili również obserwacje podczas tranzytu planety przed jej gwiazdą. Podczas tej fazy część światła gwiazdy filtruje przez krawędź atmosfery planety, pozostawiając widmowe odciski palców, które ujawniają jej skład chemiczny. Ten rodzaj pomiaru jest szczególnie wrażliwy na region przejściowy, w którym mieszają się gazy ze strony dziennej i nocnej. Pojawiające się widmo transmisyjne potwierdziło wykrycie tlenku krzemu, tlenku węgla i wody, które zostały dokonane na podstawie danych emisyjnych – zauważył Gapp. Nie mogliśmy jednak znaleźć metanu w strefie przejściowej między stroną dzienną i nocną.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło: