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Jul 26, 2023

SO2 prodotta fotochimicamente nell'atmosfera di WASP

Nature volume 617, pages

Natura volume 617, pagine 483–487 (2023) Citare questo articolo

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La fotochimica è un processo fondamentale delle atmosfere planetarie che regola la composizione e la stabilità atmosferica1. Tuttavia, finora non sono stati rilevati prodotti fotochimici inequivocabili nelle atmosfere degli esopianeti. Recenti osservazioni del JWST Transiting Exoplanet Community Early Release Science Program2,3 hanno rilevato una caratteristica di assorbimento spettrale a 4,05 μm derivante dal biossido di zolfo (SO2) nell’atmosfera di WASP-39b. WASP-39b è un esopianeta gassoso gigante di 1,27 raggi di Giove e massa di Saturno (0,28 MJ) in orbita attorno a una stella simile al Sole con una temperatura di equilibrio di circa 1.100 K (rif. 4). Il modo più plausibile per generare SO2 in tale atmosfera è attraverso processi fotochimici5,6. Qui mostriamo che la distribuzione di SO2 calcolata da una suite di modelli fotochimici spiega in modo affidabile la caratteristica spettrale di 4,05 μm identificata dalle osservazioni di trasmissione JWST7 con NIRSpec PRISM (2,7σ)8 e G395H (4,5σ)9. La SO2 è prodotta dalla successiva ossidazione dei radicali di zolfo liberati quando l'idrogeno solforato (H2S) viene distrutto. La sensibilità della caratteristica SO2 all’arricchimento dell’atmosfera da parte di elementi pesanti (metallicità) suggerisce che può essere utilizzata come tracciante delle proprietà atmosferiche, con WASP-39b che mostra una metallicità dedotta di circa 10 volte quella solare. Sottolineiamo inoltre che la SO2 mostra anche caratteristiche osservabili alle lunghezze d'onda dell'ultravioletto e dell'infrarosso termico non disponibili dalle osservazioni esistenti.

JWST ha osservato WASP-39b come parte del suo Transiting Exoplanet Community Early Release Science Program (Programma ERS 1366), con l'obiettivo di spiegare la sua composizione atmosferica2,3. I dati provenienti dalle modalità dello strumento NIRSpec PRISM e G395H hanno mostrato una caratteristica distinta di assorbimento tra 4,0 μm e 4,2 μm, con un picco a circa 4,05 μm, che i modelli atmosferici di equilibrio radiativo-convettivo-termochimico non potevano spiegare con la metallicità e i valori C/O tipicamente assunti del gas pianeti giganti (rispettivamente 1–100× solare e 0,3–0,98,9). Dopo aver escluso la sistematica strumentale e la variabilità stellare, una ricerca approfondita dei gas ha mostrato che la SO2 è un candidato promettente con la caratteristica di assorbimento più adatta (vedi Metodi), sebbene nell'analisi siano stati utilizzati spettri ad hoc con SO2 iniettata.

Lo zolfo condivide alcune somiglianze chimiche con l'ossigeno ma forma in modo univoco vari composti con un'ampia gamma di stati di ossidazione (da -2 a +6 (rif. 10)). Sebbene la SO2 sia ubiquamente degassata e associata al vulcanismo sui mondi terrestri (ad esempio, la Terra, Venere e il satellite di Giove Io), la fonte di SO2 è fondamentalmente diversa sui giganti gassosi. In equilibrio termochimico, lo zolfo esiste principalmente nella forma ridotta, in modo tale che H2S è il serbatoio primario di zolfo in un gigante gassoso dominato da idrogeno/elio11,12,13,14. Alla temperatura di WASP-39b, il rapporto di miscelazione all’equilibrio di SO2 nella parte osservabile dell’atmosfera è inferiore a circa 10−12 per una metallicita solare 10× e inferiore a circa 10−9 anche per una metallicita solare 100× (vedi Dati estesi Fig. 1). Questa abbondanza di equilibrio di SO2 è di diversi ordini di grandezza inferiore ai valori necessari per produrre la caratteristica spettrale osservata da JWST (rapporti di miscelazione del volume (VMR) di 10−6–10−5)8,9. Al contrario, sotto l’irradiazione ultravioletta (UV), la SO2 può essere ossidata da H2S come prodotto fotochimico. I radicali H e OH, generati dai processi di fotolisi, sono fondamentali per liberare i radicali SH e l'S atomico dall'H2S e successivamente ossidarli in SO e SO2. Sebbene precedenti studi di modellazione fotochimica abbiano dimostrato che una notevole quantità di SO2 può essere prodotta in atmosfere di esopianeti ricche di idrogeno in questo modo5,6,13,15,16, la misura in cui un tale modello potrebbe riprodurre le attuali osservazioni di WASP-39b è rimasta non verificata.

Abbiamo eseguito diversi calcoli del modello fotochimico 1D indipendente e privo di nuvole di WASP-39b utilizzando i codici ARGO, ATMO, KINETICS e VULCAN (vedere Metodi per i dettagli del modello). Tutti i modelli includevano reti chimiche cinetiche dello zolfo e sono stati eseguiti utilizzando gli stessi profili verticali temperatura-pressione dei terminatori mattutini e serali adottati da una simulazione atmosferica 3D WASP-39b con il modello di circolazione generale Exo-FMS (GCM)17 (vedere Dati estesi Fig. .2). I modelli nominali presupponevano una metallicità di 10× solare (rif. 18) con un rapporto C/O solare di 0,55, mentre noi abbiamo esplorato la sensibilità alle proprietà atmosferiche.