Як знайти приховані океани у далеких світах? За допомогою хімії

Нове дослідження показує, як хімічні речовини в атмосфері екзопланети у деяких випадках можуть показати, чи є температура на її поверхні занадто високою для рідкої води.

Про це розповідають в Лабораторії реактивного руху НАСА.

У нашій Сонячній системі планети бувають або малі та кам’янисті (як Земля), або великі й газоподібні (як Нептун). Але навколо інших зірок астрономи виявили планети, які знаходяться між ними – світи трохи більші за Землю, але менші за Нептун. Ці планети можуть мати кам’янисті поверхні або океани з рідкою водою, але більшість з них, швидше за все, мають атмосфери, які в багато разів товщі, ніж земні, та непрозорі.

У новому дослідженні, прийнятому на публікацію в Astrophysical Journal Letters, вчені показують, як хімічний склад цих атмосфер може надати підказки щодо того, що під ними знаходиться — зокрема, які планети занадто гарячі, щоб підтримувати океани рідкої води. Оскільки рідка вода є необхідним інгредієнтом для життя, яким ми його знаємо, ця методика може допомогти вченим звузити пошук потенційно придатних для життя екзопланет або планет за межами нашої Сонячної системи. У нашій галактиці підтверджено понад 4500 екзопланет, та існує ще понад 7700 кандидатів, але вчені підрахували, що в нашій галактиці існують сотні мільярдів екзопланет.

Деякі космічні телескопи NASA, оснащені спектрометрами, можуть визначати хімічний склад атмосфери екзопланети. Хімічний профіль Землі не зміг би показати зображення, скажімо, корів чи людей на поверхні планети, але він покаже вуглекислий газ і метан, що виробляються ссавцями, і кисень, що виробляється деревами. Жодна з цих хімічних речовин окремо не була б ознакою життя, але в сукупності вони вказували б на можливість того, що наша планета населена.

У новій роботі показано, які хімічні речовини можуть вказувати на приховані океани на екзопланетах, діаметр яких від 1,7 до 3,5 раза перевищує діаметр Землі. Оскільки діаметр Нептуна приблизно у чотири рази перевищує діаметр Землі, ці планети іноді називають «субнептунами».

Щільна атмосфера на планеті субнептуні затримувала б тепло на поверхні й мала б підвищену температуру. Якщо атмосфера досягає певного порогу — як правило, близько 770 градусів за Цельсієм, — у ній відбудеться процес, що називається термохімічною рівновагою, який змінює її хімічний профіль. Після настання термохімічної рівноваги — і якщо припустити, що атмосфера планети складається здебільшого з водню, що характерно для газоподібних екзопланет — вуглець та азот будуть перебувати переважно у формі метану та аміаку.

Ці хімічні речовини значною мірою були б відсутні в більш прохолодній, тоншій атмосфері, де не настала термохімічна рівновага. У цьому випадку домінантними формами вуглецю та азоту будуть вуглекислий газ і молекули з двох атомів азоту.

Рідко-водний океан під атмосферою залишив би додаткові ознаки, згідно з дослідженням, включаючи відсутність майже всього блукаючого аміаку, який був би розчинений в океані. Газоподібний аміак добре розчиняється у воді в залежності від pH океану (його рівня кислотності). Дослідники виявили, що у широкому діапазоні вірогідних рівнів pH океану атмосфера повинна бути практично вільною від аміаку, якщо під нею є величезний океан.

Крім того, в атмосфері мало б бути більше вуглекислого газу, ніж монооксиду вуглецю; навпаки, після встановлення термохімічної рівноваги має бути більше оксиду вуглецю, ніж двоокису вуглецю, якщо є такі, що виявляються, обсяги того й іншого.

«Якщо ми побачимо ознаки термохімічної рівноваги, ми зробимо висновок, що планета занадто гаряча, щоб бути придатною для життя», — сказав Реню Ху, дослідник з Лабораторії реактивного руху НАСА, який очолював дослідження. «Навпаки, якщо ми не побачимо ознак термохімічної рівноваги, а також побачимо ознаки газу, розчиненого в океані з рідкою водою, ми б сприйняли це як переконливий показник для життєпридатності».

Космічний телескоп NASA “Джеймс Вебб”, запуск якого запланований на 18 грудня, матиме спектрометр, здатний вивчати атмосферу екзопланет. Вчені, такі як Ху, працюють над тим, щоб передбачити, які види хімічних профілів Вебб побачить у цих атмосферах і що вони можуть розповісти про ці далекі світи. Обсерваторія має можливості виявляти ознаки термохімічної рівноваги в атмосферах субнептунів — іншими словами, ознаки прихованого океану — як зазначено у дослідженні.

У міру того, як Вебб буде відкривати нові планети або проводити більш глибокі дослідження відомих планет, ця інформація може допомогти вченим вирішити, які з них заслуговують додаткових спостережень, особливо якщо вчені хочуть націлитися на планети, на яких може бути життя.

«У нас немає прямих спостережних свідчень, які б розповіли нам, які загальні фізичні характеристики субнептунів», — сказав Ху. «Багато з них можуть мати масивну водневу атмосферу, але чимало з них все ще можуть бути “планетами-океанами”. Я сподіваюся, що ця робота слугуватиме стимулом до проведення великого числа спостережень у найближчому майбутньому, щоб це з’ясувати».

! Читайте ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними на Facebook.