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Jul 26, 2023

SO2 produzido fotoquimicamente na atmosfera de WASP

Natureza volume 617, páginas

Nature volume 617, páginas 483–487 (2023) Citar este artigo

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A fotoquímica é um processo fundamental das atmosferas planetárias que regula a composição e estabilidade atmosférica1. No entanto, nenhum produto fotoquímico inequívoco foi detectado em atmosferas de exoplanetas até agora. Observações recentes do JWST Transiting Exoplanet Community Early Release Science Program2,3 encontraram um recurso de absorção espectral em 4,05 μm decorrente de dióxido de enxofre (SO2) na atmosfera de WASP-39b. WASP-39b é um exoplaneta gigante gasoso de 1,27 raios de Júpiter, massa de Saturno (0,28 MJ) orbitando uma estrela semelhante ao Sol com uma temperatura de equilíbrio de cerca de 1.100 K (ref. 4). A forma mais plausível de gerar SO2 em tal atmosfera é por meio de processos fotoquímicos5,6. Aqui mostramos que a distribuição de SO2 calculada por um conjunto de modelos fotoquímicos explica de forma robusta o recurso espectral de 4,05 μm identificado pelas observações de transmissão JWST7 com NIRSpec PRISM (2,7σ)8 e G395H (4,5σ)9. O SO2 é produzido pela oxidação sucessiva de radicais de enxofre liberados quando o sulfeto de hidrogênio (H2S) é destruído. A sensibilidade do recurso SO2 ao enriquecimento da atmosfera por elementos pesados ​​(metalicidade) sugere que ele pode ser usado como um traçador de propriedades atmosféricas, com o WASP-39b exibindo uma metalicidade inferida de cerca de 10× a solar. Ressaltamos ainda que o SO2 também mostra características observáveis ​​nos comprimentos de onda ultravioleta e infravermelho térmico não disponíveis nas observações existentes.

O JWST observou o WASP-39b como parte de seu Programa Científico de Liberação Antecipada da Comunidade de Exoplanetas em Trânsito (Programa ERS 1366), com o objetivo de explicar sua composição atmosférica2,3. Os dados dos modos de instrumento NIRSpec PRISM e G395H mostraram uma característica de absorção distinta entre 4,0 μm e 4,2 μm, com pico em torno de 4,05 μm, que os modelos atmosféricos de equilíbrio radiativo-convectivo-termoquímico não puderam explicar com valores de metalicidade e C/O tipicamente assumidos de gás planetas gigantes (1–100× solar e 0,3–0,9, respectivamente8,9). Depois de excluir a sistemática do instrumento e a variabilidade estelar, uma pesquisa minuciosa de gases mostrou o SO2 como um candidato promissor com o recurso de absorção de melhor ajuste (consulte Métodos), embora espectros ad hoc com SO2 injetado tenham sido usados ​​na análise.

O enxofre compartilha algumas semelhanças químicas com o oxigênio, mas forma de forma única vários compostos com uma ampla gama de estados de oxidação (-2 a +6 (ref. 10)). Embora o SO2 seja amplamente liberado e associado ao vulcanismo em mundos terrestres (por exemplo, Terra, Vênus e o satélite Io de Júpiter), a fonte de SO2 é fundamentalmente diferente nos gigantes gasosos. Sob equilíbrio termoquímico, o enxofre existe principalmente na forma reduzida, de modo que o H2S é o reservatório primário de enxofre em um gigante gasoso dominado por hidrogênio/hélio11,12,13,14. À temperatura de WASP-39b, a razão de mistura de equilíbrio de SO2 na parte observável da atmosfera é inferior a cerca de 10−12 para 10× de metalicidade solar e inferior a cerca de 10−9 para até 100× de metalicidade solar (consulte Dados Estendidos Figura 1). Esta abundância de equilíbrio de SO2 é várias ordens de magnitude menor do que os valores necessários para produzir a característica espectral observada pelo JWST (taxas de mistura de volume (VMRs) de 10−6–10−5)8,9. Em contraste, sob irradiação ultravioleta (UV), o SO2 pode ser oxidado a partir do H2S como um produto fotoquímico. Os radicais H e OH, gerados por processos de fotólise, são fundamentais para liberar os radicais SH e S atômico do H2S e, posteriormente, oxidá-los a SO e SO2. Embora estudos anteriores de modelagem fotoquímica tenham mostrado que SO2 substancial pode ser produzido em atmosferas exoplanetárias ricas em hidrogênio dessa maneira5,6,13,15,16, a extensão em que tal modelo poderia reproduzir as observações atuais do WASP-39b permaneceu sem verificação.

Realizamos vários cálculos de modelos fotoquímicos 1D independentes e sem nuvens de WASP-39b usando os códigos ARGO, ATMO, KINETICS e VULCAN (consulte Métodos para obter detalhes do modelo). Todos os modelos incluíram redes químicas cinéticas de enxofre e foram executados usando os mesmos perfis verticais de temperatura e pressão dos terminadores matinais e noturnos adotados a partir de uma simulação atmosférica 3D WASP-39b com o modelo de circulação geral Exo-FMS (GCM)17 (consulte Dados Estendidos Fig. . 2). Os modelos nominais assumiram uma metalicidade de 10× solar (ref. 18) com uma razão solar C/O de 0,55, enquanto exploramos a sensibilidade às propriedades atmosféricas.