Mraky z písku na exoplanetě WASP-107b

Vědci našli mraky vytvořené z písku - a to ještě navíc na exotické, extrémní exoplanetě WASP-107b. Zvláštní chemie a nízká celková hustota planety nadchly jak vědce, tak laickou veřejnost.

Tato vzdálená exoplaneta dostala přezdívku cukrová vata. WASP-107b je v astronomické komunitě známá už delší dobu - a to právě kvůli své extrémně nízké hustotě. Ta odpovídá zhruba 0,13 g/cm3. Pro srovnání, průměrná hustota Jupiteru je 1,33 g/cm3 a Země 5,51 g/cm3.

Planeta obíhá hvězdu, která je podle NASA vzdálená zhruba 210 světelných roků. Na našem nebi se nachází v souhvězdí Panny.

Hmotnost WASP-107b je přibližně 0,12 hmotnosti Jupiteru (cca 30–38 Zemí). To odpovídá zhruba dvěma Neptunům. Data z mise TESS a dřívější pozorování potvrzují, že poloměr planety činí 0,94 až 0,96 průměrů Jupiteru.

^{Ilustrace: Zdroj: D. Tenzler}

Pokrok díky vesmírnému teleskopu Jamese Webba

V minulosti zkoumali vědci atmosféry exoplanet hlavně v tzv. blízkém infračerveném spektru. To jim sice umožnilo detekovat vodu nebo oxid uhličitý, ale to přestalo stačit. Přístroj MIRI, který se nachází na palubě JWST, se dívá do středního infračerveného pásma, což je oblast, kde se dají nalézt spektrální čáry takových látek jako oxid siřičitý nebo silikátový prach.

Tým pod vedením Achrène Dyrek využil metodu tzv. transmisní spektroskopie. I když zní její název komplikovaně, je vlastně úplně jednoduchá. Když planeta přechází před svou hvězdou, část světla hvězdy projde atmosférou planety. Plyny a mraky v této atmosféře pohltí specifické vlnové délky světla. Výsledkem je pak spektrum s chybějícími úseky, které slouží jako chemický otisk prstu planety.

Záhada oxidu siřičitého - fotochemie

Jedním z největších překvapení studie je detekce oxidu siřičitého (SO2). Vědci nalezli tuto molekulu dokonce s vysokou mírou jistoty (9-sigma). WASP-107b má teplotu kolem 740 K (což odpovídá zhruba 470 °C), takže je v planetárním měřítku považována za poměrně teplou, ale ne vyloženě horkou planetu. Podle dosavadních modelů by se při těchto teplotách síra měla vyskytovat v jiných formách - a ne jako molekula SO2.

Vědci došli k závěru, že přítomnost SO2 je jasným důkazem pro fotochemii, která tu musí probíhat.

Pod pojmem fotochemie se označují chemické reakce, ke kterým dochází díky vlivu světla. Základním požadavkem je absorpce světla reagující molekulou, přičemž vlnová délka světla musí odpovídat potřebám molekuly.

V praxi a v případě atmosféry WASP-107b to znamená, že vysokoenergetické světlo z mateřské hvězdy rozbíjí molekuly v horních vrstvách atmosféry a spouští řetězové chemické reakce, podobně jako vzniká ozon v atmosféře Země.

WASP-107b se tak stala teprve druhou ozařovanou planetou (po horkém exo-Saturnu WASP-39b), u níž byla fotochemie přímo potvrzena, a posunula hranici teploty, při které tyto procesy probíhají, výrazně níže, než si vědci kdysi mysleli.

Mraky, ze kterých prší písek

Ještě více je fascinuje zjištění, že se na této planetě nacházejí silikátové mraky. Silikáty jsou minerály, které tvoří většinu hornin a písku na Zemi. Na WASP-107b se však tyto látky nenacházejí jen na povrchu planety, ale tvoří hustá mračna vysoko v její atmosféře.

To by samo o sobě možná nebylo tak zvláštní, je ale zajímavé, že tyto jevy mohou existovat při tak nízké teplotě.

Na Zemi se voda vypařuje, tvoří mraky a pak prší znovu na zem. Na WASP-107b se na povrchu nebo těsně nad ním, kde je extrémní horko, vypařují silikáty. Studie naznačuje, že v atmosféře probíhá následující koloběh: Silikátové páry jsou vynášeny silným vertikálním prouděním do chladnějších horních vrstev. Tam zkondenzují do mikroskopických zrnek prachu (písku), která tvoří mraky. Tato zrnka pak klesají do hlubin atmosféry, kde se znovu vypaří.

Tento dynamický proces vysvětluje, proč mraky vidíme i tam, kde by teoreticky neměly být – atmosféra je prostě dostatečně dynamická, neustále se pohybuje a její obsah se promíchává, takže písek nestihne vždy spadnout až na povrch.

Detektivní pátrání po metanu

Zatímco voda (H2O) byla detekována zcela jasně (12-sigma), dalším překvapením byla pro vědce absence metanu (CH4). Metan je v atmosférách planet s touto teplotou očekáván jako hlavní sloučenina, ve které se nachází uhlík.

Jeho nedostatek by mohl znamenat, že atmosféra je pravděpodobně mnohem bohatší na těžší prvky, než je tomu u nás (možná až 10–100krát). Je také možné, že má planeta pravděpodobně vyšší vnitřní teplotu, než se předpokládalo, což v kombinaci s intenzivním promícháváním atmosféry udržuje uhlík ve formě oxidu uhelnatého (CO) namísto metanu.

Zdá se tedy, že exoplanety nejsou jen statické koule s plynnou atmosférou. Alespoň část z nich je zajímavými světy, s komplikovaným počasím, s atmosférickou chemií poháněnou zářením centrální hvězdy a s koloběhy chemických látek, které si na Zemi dokážeme jen těžko představit. Objev silikátových mraků na takto poměrně chladné planetě mění naše představy o tom, jak vznikají a fungují mraky v takovém ekosystému.

^{Zdroje: Dyrek, A., Min, M., Decin, L., et al. (2023/2024). SO₂, silicate clouds, but no CH₄ detected in a warm Neptune. Nature / arXiv:2311.12515v2}