Odkrycie najcięższego jak dotąd pierwiastka w atmosferach egzoplanet

Badając planety krążące wokół gwiazd spoza naszego Układu Słonecznego, naukowcy wspierani przez finansowane ze środków UE projekty SPICE DUNE i FOUR ACES dokonali niespodziewanego odkrycia. W atmosferach dwóch gazowych olbrzymów stwierdzili obecność baru – najcięższego jak dotąd pierwiastka wykrytego w atmosferze egzoplanety. Ich badanie zostało opublikowane w czasopiśmie „Astronomy & Astrophysics”.

„Odkrycia tego dokonaliśmy w pewnym sensie przypadkowo”, stwierdza główny autor badania Tomás Azevedo Silva, doktorant z Uniwersytetu w Porto w Portugalii, w komunikacie prasowym zamieszczonym na stronie internetowej „Europejskiego Obserwatorium Południowego” (ang. European Southern Observatory, ESO). „Nie spodziewaliśmy się natrafić na bar ani nie poszukiwaliśmy konkretnie tego pierwiastka, musieliśmy więc dodatkowo zweryfikować, czy rzeczywiście pochodzi on z planety, ponieważ nigdy wcześniej nie zaobserwowano jego obecności na żadnej egzoplanecie”.

Obecność baru wykryto na dużych wysokościach w atmosferach gazowych olbrzymów WASP-76b i WASP-121b. Te dwie egzoplanety zaliczane są również do ultragorących jowiszów – nazwa ta nadawana jest planetom o masie podobnej do Jowisza, które orbitują bardzo blisko swoich gwiazd. Dzięki tej bliskości okrążenie swoich gwiazd zajmuje planetom WASP-76b i WASP-121b mniej niż 2 dni, a dodatkowo zapewnia im piekielnie wysokie temperatury równowagi na poziomie ponad 2 000 °C.Te skrajne temperatury – wystarczająco wysokie do wyparowania metali – gwarantują tym planetom również niezwykłe zjawiska, takie jak deszcz żelaza, który przypuszczalnie występuje na planecie WASP-76b. W 2020 roku w ramach badania wspieranego częściowo przez projekt FOUR ACES stwierdzono, że gdy silne wiatry przenoszą parę żelaza do chłodniejszych środowisk po nocnej stronie planety, ulega ona kondensacji, tworząc krople żelaza. Jednak mimo tego niesamowitego odkrycia astrofizycy i tak byli zaskoczeni, gdy w górnych atmosferach planet WASP-76b i WASP-121b udało się im odnaleźć pierwiastek 2,5 razy cięższy od żelaza. „Biorąc pod uwagę silną grawitację planet, spodziewalibyśmy się, że ciężkie pierwiastki, takie jak bar, szybko opadną do niższych warstw atmosfery”, wyjaśnia współautor badania dr Olivier Demangeon, również z Uniwersytetu w Porto, w tym samym komunikacie.

Obserwacja ultragorących jowiszów dostarcza naukowcom cennych informacji na temat atmosfer egzoplanet. „Dzięki gazowemu charakterowi i wysokim temperaturom ich atmosfery są bardzo rozbudowane, a przez to łatwiejsze do obserwacji i badania niż atmosfery mniejszych lub chłodniejszych planet”, wyjaśnia dr Demangeon. Do dokonania swoich odkryć zespół badawczy wykorzystał spektrograf ESPRESSO (ang. Echelle SPectrograph for Rocky Exoplanet and Stable Spectroscopic Observations) na Bardzo Dużym Teleskopie (ang. Very Large Telescope, VLT) ESO znajdującym się w północnym Chile.

Fakt, że na obu planetach stwierdzono obecność baru, może oznaczać, że ten ciężki pierwiastek jest powszechny w atmosferach ultragorących jowiszów. Ale jaki naturalny proces mógł spowodować, że bar znalazł się na tak dużych wysokościach? Jak zauważa Azevedo Silva, istnienie tam tego pierwiastka wydaje się „zastanawiające i nieintuicyjne”. Badacze nie są obecnie pewni, jakie mechanizmy mogą być za to odpowiedzialne.

Projekt SPICE DUNE (A SpectroPhotometric Inquiry of Close-in Exoplanets around the Desert to Understand their Nature and Evolution) zakończy się w 2026 roku. Projekt FOUR ACES (Future of upper atmospheric characterisation of exoplanets with spectroscopy) zakończy się w 2023 roku.

Więcej informacji:

projekt SPICE DUNE

strona internetowa projektu FOUR ACES