Как найти потаенные океаны в далеких мирах?

В нашей солнечной системе планеты либо маленькие и каменистые (как Земля), либо большие и газообразные (как Нептун). Но вокруг других звезд астрономы обнаружили промежуточные планеты — миры немного больше Земли, но меньше Нептуна.

Планеты, диаметр которых от 1,7 до 3,5 раз превышает диаметр Земли, иногда называют «суб-Нептунами». В солнечной системе Земли нет планет такого размера, но ученые считают, что многие суб-Нептуны имеют толстую атмосферу, потенциально скрывающую скалистые поверхности или жидкие океаны. Предоставлено: НАСА / Лаборатория реактивного движения — Калтех.

У этих планет могут быть скалистые поверхности или океаны с жидкой водой, но, скорее всего, они будут покрыты атмосферой, которая во много раз толще Земли и непрозрачна.

В новом исследовании исследователи показывают, как химический состав этих атмосфер может помочь понять, что находится под ними, в частности, какие планеты слишком горячие, чтобы поддерживать океаны с жидкой водой. Поскольку жидкая вода является необходимым ингредиентом для жизни, какой мы ее знаем, этот метод может помочь ученым сузить круг поиска потенциально пригодных для жизни экзопланет или планет за пределами нашей Солнечной системы. В нашей галактике подтверждено более 4500 экзопланет, более 7700 кандидатов еще предстоит подтвердить, но по оценкам ученых, в нашей галактике существуют сотни миллиардов экзопланет.

Некоторые космические телескопы НАСА, оснащенные спектрометрами, могут выявить химический состав атмосферы экзопланеты. Химический профиль Земли не сможет показать изображения, скажем, коров или людей на поверхности планеты, но он покажет углекислый газ и метан, производимые млекопитающими, и кислород, производимый деревьями. Ни одно из этих химических веществ само по себе не будет признаком жизни, но в сочетании они укажут на возможность того, что наша планета населена.

В новом документе 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 больше диаметра Земли, эти планеты иногда называют «суб-Нептунами».

Плотная атмосфера на планете к югу от Нептуна будет удерживать тепло на поверхности и поднимать температуру. Если атмосфера достигает определенного порога — обычно около 1430 градусов по Фаренгейту (770 градусов по Цельсию) — она ​​претерпевает процесс, называемый термохимическим равновесием, который изменяет ее химический профиль. После установления термохимического равновесия — и если предположить, что атмосфера планеты состоит в основном из водорода, что типично для газообразных экзопланет, — углерод и азот будут преимущественно в форме метана и аммиака.

Эти химические вещества в значительной степени отсутствовали бы в более прохладной и более разреженной атмосфере, где не было бы термохимического равновесия. В этом случае доминирующими формами углерода и азота будут диоксид углерода и молекулы из двух атомов азота.

Согласно исследованию, океан с жидкой водой под атмосферой оставит дополнительные признаки, в том числе отсутствие почти всего паразитного аммиака, который будет растворен в океане. Газообразный аммиак хорошо растворяется в воде, в зависимости от pH океана (его уровня кислотности). Исследователи обнаружили, что в широком диапазоне вероятных уровней pH океана в атмосфере практически не должно быть аммиака, когда под ней находится огромный океан.

Кроме того, в атмосфере будет больше углекислого газа, чем окиси углерода; напротив, после термохимического равновесия монооксида углерода должно быть больше, чем диоксида углерода, если есть обнаруживаемые количества того и другого.

«Если мы увидим признаки термохимического равновесия, мы сделаем вывод, что планета слишком горячая, чтобы на ней можно было жить», — сказал Рэнью Ху, исследователь из Лаборатории реактивного движения НАСА, руководивший исследованием. «И наоборот, если мы не видим признаков термохимического равновесия, а также видим признаки растворения газа в жидко-водном океане, мы бы восприняли это как убедительный признак обитаемости».

Космический телескоп НАСА имени Джеймса Уэбба, запуск которого планируется 18 декабря, будет оснащен спектрометром, способным изучать атмосферы экзопланет. Такие ученые, как Ху, работают, чтобы предвидеть, какие химические профили Уэбб увидит в этих атмосферах и что они могут рассказать об этих далеких мирах. Обсерватория способна определять признаки термохимического равновесия в суб-Нептуновых атмосферах — другими словами, признаки скрытого океана — как указано в статье.

По мере того как Уэбб открывает новые планеты или проводит более глубокие исследования известных планет, эта информация может помочь ученым решить, какие из них заслуживают дополнительных наблюдений, особенно если ученые хотят нацеливаться на планеты, на которых может быть жизнь.

«У нас нет прямых данных наблюдений, чтобы сказать нам, каковы общие физические характеристики субнептунов», — сказал Ху. «Многие из них могут иметь массивные водородные атмосферы, но некоторые из них могут быть« океанскими планетами ». Я надеюсь, что эта статья послужит поводом для еще многих наблюдений в ближайшем будущем, чтобы выяснить это ».