블로그

Jul 26, 2023

WASP 대기에서 광화학적으로 생성된 SO2

자연 617권, 페이지

Nature 617권, 483~487페이지(2023)이 기사 인용

3391 액세스

2 인용

20 알트메트릭

측정항목 세부정보

광화학은 대기 구성과 안정성1을 조절하는 행성 대기의 기본 과정입니다. 그러나 지금까지 외계 행성 대기에서는 명확한 광화학 생성물이 발견되지 않았습니다. JWST Transiting Exoplanet Community Early Release Science Program2,3의 최근 관찰에 따르면 WASP-39b 대기의 이산화황(SO2)에서 발생하는 4.05μm의 스펙트럼 흡수 특성이 발견되었습니다. WASP-39b는 목성 반경 1.27, 토성 질량(0.28 MJ)의 거대 가스 외행성으로, 평형 온도가 약 1,100K인 태양과 같은 별을 공전합니다(참조 4). 이러한 대기에서 SO2를 생성하는 가장 그럴듯한 방법은 광화학 공정을 이용하는 것입니다5,6. 여기에서는 일련의 광화학 모델에 의해 계산된 SO2 분포가 NIRSpec PRISM(2.7σ)8 및 G395H(4.5σ)9를 사용하여 JWST 전송 관측7으로 식별된 4.05μm 스펙트럼 특징을 강력하게 설명한다는 것을 보여줍니다. SO2는 황화수소(H2S)가 파괴될 때 유리된 황 라디칼이 연속적으로 산화되어 생성됩니다. 중원소(금속성)에 의한 대기 농축에 대한 SO2 특징의 민감도는 WASP-39b가 약 10배 태양광의 금속성 추정을 나타내면서 대기 특성의 추적자로 사용될 수 있음을 시사합니다. 우리는 또한 SO2가 기존 관측에서는 볼 수 없는 자외선 및 열적외선 파장에서 관측 가능한 특징을 보여준다는 점을 지적합니다.

JWST는 WASP-39b를 대기 구성을 설명하기 위한 목적으로 Transiting Exoplanet Community Early Release Science Program(ERS 프로그램 1366)의 일환으로 관찰했습니다2,3. NIRSpec PRISM 및 G395H 기기 모드의 데이터는 4.0μm에서 4.2μm 사이의 뚜렷한 흡수 특성을 보여주었으며, 약 4.05μm에서 정점을 이루었습니다. 대기 복사-대류-열화학 평형 모델은 일반적으로 가스로 가정되는 금속성 및 C/O 값으로 설명할 수 없습니다. 거대 행성(각각 1–100× 태양 및 0.3–0.98,9). 장비 체계와 항성 변동성을 배제한 후, 가스에 대한 철저한 검색을 통해 SO2가 주입된 SO2가 있는 임시 스펙트럼이 분석에 사용되었지만 가장 적합한 흡수 기능(방법 참조)을 가진 유망한 후보로 SO2가 나타났습니다.

황은 산소와 일부 화학적 유사성을 공유하지만 광범위한 산화 상태(-2 ~ +6(참조 10))를 갖는 다양한 화합물을 독특하게 형성합니다. SO2는 어디에서나 가스로 방출되고 지구 세계(예: 지구, 금성 및 목성의 위성 Io)의 화산 활동과 관련되어 있지만 가스 거대 행성에서는 SO2의 출처가 근본적으로 다릅니다. 열화학적 평형 하에서 황은 주로 환원된 형태로 존재하므로 H2S는 수소/헬륨이 지배적인 거대 가스의 주요 황 저장고입니다11,12,13,14. WASP-39b의 온도에서 대기의 관측 가능한 부분에서 SO2의 평형 혼합 비율은 10× 태양 금속성인 경우 약 10-12 미만이고 100× 태양 금속성인 경우에도 약 10-9 미만입니다(확장 데이터 참조). 그림 1). SO2의 평형 존재비는 JWST(10-6-10-5의 부피 혼합 비율(VMR))8,9에서 관찰한 스펙트럼 특징을 생성하는 데 필요한 값보다 몇 배 더 작습니다. 대조적으로, 자외선(UV) 조사 하에서 SO2는 H2S로부터 광화학 생성물로 산화될 수 있습니다. 광분해 과정에서 생성된 H 및 OH 라디칼은 H2S에서 SH 라디칼과 원자 S를 분리하고 이어서 SO와 SO2로 산화시키는 데 핵심입니다. 이전의 광화학 모델링 연구에서는 이러한 방식으로 수소가 풍부한 외계행성 대기에서 상당한 SO2가 생성될 수 있음을 보여주었지만5,6,13,15,16 그러한 모델이 현재 WASP-39b 관측치를 재현할 수 있는 정도는 아직 검증되지 않았습니다.

우리는 ARGO, ATMO, KINETICS 및 VULCAN 코드를 사용하여 WASP-39b의 여러 독립적인 클라우드 프리 1D 광화학 모델 계산을 수행했습니다(모델 세부 사항은 방법 참조). 모든 모델에는 황 운동 화학 네트워크가 포함되어 있으며 Exo-FMS 일반 순환 모델(GCM)17을 사용하여 3D WASP-39b 대기 시뮬레이션에서 채택된 아침 및 저녁 터미네이터의 동일한 수직 온도-압력 프로파일을 사용하여 실행되었습니다(확장 데이터 그림 참조). .2). 공칭 모델은 태양 C / O 비율이 0.55 인 10 × 태양 (참조 18)의 금속성을 가정했지만 대기 특성에 대한 민감도를 조사했습니다.