Инфракрасный космический телескоп «Джеймс Уэбб» впервые провел картирование структуры расширенной атмосферы экзопланеты сразу на всех стадиях транзита по диску звезды. Благодаря этому выяснилось, что супернептун WASP-107b, обладающий газовым хвостом, также имеет эллиптическую и протяженную термосферу. Препринт работы доступен на сайте arXiv.org.
Потеря атмосферы экзопланетами под действием интенсивных потоков излучения и частиц от родительских звезд играет важную роль в их эволюции и позволяет объяснить как свойства наблюдаемых планет, так и другие явления, связанные с ними — например, «пустыню горячих нептунов». Для обнаружения распухших газовых оболочек планет или газовых хвостов, свидетельствующих об испарении атмосферы, можно вести наблюдения за водородом в ультрафиолетовом диапазоне или гелием в ближнем инфракрасном диапазоне. Так уже удалось выявить гелиевые хвосты и протяженную экзосферу и термосферу у экзопланет разных типов.
Группа астрономов во главе с Вигнешвараном Кришнамурти (Vigneshwaran Krishnamurthy) из Института исследований экзопланет имени Троттье опубликовала результаты высокоточных спектроскопических наблюдений за атмосферой супернептуна WASP-107b при помощи прибора NIRISS «Джеймса Уэбба» во время транзита экзопланеты 11 июня 2023 года.
WASP-107b представляет собой одну из наиболее популярных целей для экзопланетологических исследований, а эволюция планеты остается предметом споров. Экзопланета обращается с периодом всего 5,72 дня вокруг звезды спектрального класса K6 в 208 световых годах от Солнца. Она характеризуется массой 30,5 массы Земли и радиусом 0,96 радиуса Юпитера, что делает ее обладательницей одной из самых малых объемных плотностей. Именно в атмосфере WASP-107b был впервые обнаружен гелий, в дальнейшем астрономы также заметили протяженную атмосферу, кометоподобный газовый хвост и асимметрию температур на разных сторонах экзопланеты.
Исследователи сосредоточились на линии поглощения метастабильного триплета гелия, которая используется для наблюдения за эрозией планетарных атмосфер. Однако все предыдущие наблюдения обычно выявляли гелий во время события транзита экзопланет по диску своих звезд или после него, в то время как в текущей работе впервые значительное избыточное поглощение гелия наблюдалось до, во время и после события транзита WASP-107b с большой статистической значимостью. Это позволило провести подробное картирование расширенной газовой оболочки супернептуна в ходе сопоставления данных наблюдения с гидродинамическими моделями, полученными при помощи программного обеспечения EvE (Evaporating Exoplanets) и учитывающими взаимодействие атмосферы со звездными ветрами.
Ученые пришли к выводу, что лучше всего под данные наблюдений подходит модель с эллиптической расширенной термосферой, которая простирается впереди планеты на 10–18 планетарных радиусов и выходит за пределы полости Роша. Удлинение термосферы позади планеты характеризуется таким же масштабом, без явных признаков смещенного центра эллипсоида. Температура термосферы оценивается в семь тысяч кельвинов, отношение содержания водорода к гелию — на уровне 0,9, а скорость потери массы — около 1012 граммов в секунду. Вне термосферы и позади супернептуна находится хвост, формируемый звездным ветром.
Исследователи также отметили, что на оценку содержания водяного пара в атмосфере супернептуна большее влияние оказывает загрязнение спектра сигналами от звездных пятен, а не непрозрачность потенциальной мелкодисперсной дымки. Кроме того, подтверждается сверхсолнечная металличность атмосферы, а расчеты показывают, что экзопланета вряд ли образовалась на текущей орбите, что говорит в пользу гипотезы ее миграции ближе к звезде после формирования.
Скорость потери планетарной атмосферы может заметно меняться со временем, что ранее было впервые подтверждено наблюдениями «Хаббла».