Как найти скрытые океаны в далёких мирах? С помощью химии

Новое исследование показывает, как химические вещества в атмосфере экзопланеты в некоторых случаях могут показать, является ли температура на ее поверхности слишком высокой для жидкой воды.

Об этом рассказывают в Лаборатории реактивного движения НАСА.

В нашей Солнечной системе планеты бывают либо малые и каменистые (как Земля), либо большие и газообразные (как Нептун). Но вокруг других звезд астрономы обнаружили находящиеся между ними планеты – миры чуть больше Земли, но меньше Нептуна. Эти планеты могут иметь каменистые поверхности или океаны с жидкой водой, но большинство из них, скорее всего, имеют атмосферы, которые во много раз толще земных и непрозрачные.

В новом исследовании, принятом на публикацию в Astrophysical Journal Letters, ученые показывают, как химический состав этих атмосфер может подсказать, что под ними находится — в частности, какие планеты слишком горячи, чтобы поддерживать океаны жидкой воды. Поскольку жидкая вода является необходимым ингредиентом для жизни, какой мы ее знаем, эта методика может помочь ученым сузить поиск потенциально пригодных для жизни экзопланет или планет вне нашей Солнечной системы. В нашей галактике подтверждено более 4500 экзопланет и существует еще более 7700 кандидатов, но ученые подсчитали, что в нашей галактике существуют сотни миллиардов экзопланет.

Некоторые космические телескопы NASA, оснащенные спектрометрами, могут определять химический состав атмосферы экзопланеты. Химический профиль Земли не смог бы показать изображение, скажем, коров или людей на поверхности планеты, но он покажет углекислый газ и производимые млекопитающими метан и производимый деревьями кислород. Ни одно из этих химических веществ не было бы признаком жизни, но в совокупности они указывали бы на возможность того, что наша планета населена.

В новой работе показано, какие химические вещества могут указывать на скрытые океаны на экзопланетах, диаметр которых от 1,7 до 3,5 раз превышает диаметр Земли. Поскольку диаметр Нептуна примерно в четыре раза превышает диаметр Земли, эти планеты иногда называют «субнептунами».

Плотная атмосфера на планете субнептуне задерживала бы тепло на поверхности и имела бы повышенную температуру. Если атмосфера достигает определенного порога — как правило, около 770 градусов по Цельсию, — в ней состоится процесс, называемый термохимическим равновесием, изменяющим ее химический профиль. После наступления термохимического равновесия — и если предположить, что атмосфера планеты состоит в основном из водорода, что характерно для газообразных экзопланет — углерод и азот будут находиться преимущественно в форме метана и аммиака.

Эти химические вещества в значительной степени отсутствовали бы в более прохладной, более тонкой атмосфере, где не наступило термохимическое равновесие. В этом случае доминантными формами углерода и азота будут углекислый газ и молекулы из двух атомов азота.

Океан из жидкой воды под атмосферой оставил бы дополнительные признаки, согласно исследованию, включая отсутствие почти всего блуждающего аммиака, растворенного в океане. Газообразный аммиак отлично растворяется в воде зависимо от pH океана (его уровня кислотности). Исследователи обнаружили, что в широком диапазоне вероятных уровней pH океана атмосфера должна быть практически свободной от аммиака, если под ней находится огромный океан.

Кроме того, в атмосфере должно быть больше углекислого газа, чем монооксида углерода; напротив, после установления термохимического равновесия должно быть больше оксида углерода, чем двуокиси углерода, если есть выявляемые объемы того и другого.

«Если мы увидим признаки термохимического равновесия, мы заключим, что планета слишком горяча, чтобы быть пригодной для жизни», — сказал Реню Ху, исследователь из Лаборатории реактивного движения НАСА, возглавлявший исследование. "Напротив, если мы не увидим признаков термохимического равновесия, а также увидим признаки газа, растворенного в океане с жидкой водой, мы бы восприняли это как убедительный показатель для жизнепригодности".

Космический телескоп NASA "Джеймс Уебб", запуск которого запланирован на 18 декабря, будет иметь спектрометр, способный изучать атмосферу экзопланет. Ученые, такие как Ху, работают над тем, чтобы предсказать, какие виды химических профилей Уэбб увидит в этих атмосферах и что они могут рассказать об этих далеких мирах. Обсерватория имеет возможность выявлять признаки термохимического равновесия в атмосферах субнептунов, то есть признаки скрытого океана, как указано в исследовании.

По мере того, как Уэбб будет открывать новые планеты или проводить более глубокие исследования известных планет, эта информация может помочь ученым решить, какие из них заслуживают дополнительных наблюдений, особенно если учёные хотят нацелиться на планеты, на которых может быть жизнь.

«У нас нет прямых наблюдательных свидетельств, которые рассказали бы нам, какие общие физические характеристики субнептунов», — сказал Ху. «Многие из них могут иметь массивную водородную атмосферу, но многие из них все еще могут быть «планетами-океанами». Я надеюсь, что эта работа будет стимулом к проведению большого числа наблюдений в ближайшем будущем, чтобы это выяснить».

! Читайте еще интересные новости о космосе на сайте или следите за ними на Facebook.