В поисках потенциально пригодных для жизни экзопланет жидкая вода является ключевым индикатором. Для жизни на Земле необходима жидкая вода, и ученые твердо убеждены, что то же самое справедливо и в других местах. Но с большого расстояния трудно сказать, в каких мирах есть океаны воды. Вместо этого на некоторых из них могут быть океаны лавы, и их путаница является препятствием для более ясного понимания экзопланет, воды и обитаемости.
Это подводит нас к K2-18b, мини-Нептуну, вращающемуся вокруг звезды красного карлика (M-карлика) на расстоянии около 134 световых лет от нас. Космический телескоп «Кеплер» обнаружил ее в 2015 году. В каталоге экзопланет НАСА она описывается как потенциально скалистый мир, почти в девять раз более массивный, чем Земля. Один оборот занимает около 30 дней и находится на расстоянии около 0,1429 а.е. от звезды.
Когда было подтверждено, что это планета, авторы статьи, представившей результаты, написали, что «Планета, вращающаяся вокруг K2-18, может быть интересной целью для изучения атмосферы транзитных экзопланет».
Пророческие слова: когда JWST исследовал атмосферу K2-18b в 2023 году, он обнаружил углеродсодержащие молекулы метана и углекислого газа. «Открытие Уэбба дополняет недавние исследования, предполагающие, что K2-18 b может быть экзопланетой Хайса, которая потенциально может обладать богатой водородом атмосферой и поверхностью, покрытой водным океаном», — говорится в пресс-релизе НАСА.
Планетологи очень интересуются экзопланетами Хайса. В нынешнем положении дел они чисто гипотетические. Но если бы ученые смогли подтвердить существование одной из этих океанских планет, перспективы жизни в других частях нашей галактики значительно изменились бы. (Если они не подвержены безудержному парниковому эффекту.) Если бы мы могли достоверно обнаружить популяцию хайских миров, разбросанных среди звезд, это, несомненно, стало бы мощным сигналом о том, что жизнь не ограничивается Землей.
Но относительно миров Хайса существует большая неопределенность. Они существуют? Смогут ли они удержаться в своих океанах, или в них слишком жарко? Может ли что-то еще объяснить атмосферные открытия JWST? Почему существует расхождение между наблюдениями и моделированием климата? Авторы новой статьи отмечают, что, по наблюдениям, K2-18b представляет собой архетипический хайкийский мир. Таким образом, это хорошее место, чтобы попытаться ответить на некоторые наши научные вопросы. Авторы утверждают, что K2-13b действительно может быть планетой-океаном, но океаном лавы, а не воды.
Новая статья называется «Отличение океанов воды от магмы на мини-Нептуне K2-18b». Ведущий автор — Оливер Шорттл, изучающий планетарную химию в Институте астрономии Кембриджского университета. Статья находится в предварительном издании и еще не прошла рецензирование.
«Мы предлагаем решение этого несоответствия между наблюдениями и моделированием климата путем исследования влияния океана магмы на химию атмосферы мини-Нептунов», — пишут авторы.
К2-18б — это головоломка. Его плотность находится между плотностью Нептуна и Земли, а это означает, что его состав неизвестен. Его плотность охватывает диапазон возможных составов. Наблюдения JWST показывают, что здесь есть атмосфера, богатая углеродом, и атмосфера, бедная аммиаком. Оба эти наблюдения являются индикаторами океанского мира с плотной атмосферой H/He.
Но есть и другое возможное объяснение: океан магмы. «Мы демонстрируем, что истощение атмосферного NH3 является естественным следствием высокой растворимости форм азота в магме в восстановительных условиях, а именно в тех условиях, которые преобладают, когда толстая водородная оболочка находится в контакте с расплавленной поверхностью планеты», — пишут авторы.
Как это часто бывает в атмосфере, наличие кислорода играет огромную роль. Кислород — свингер; ему нравится связываться практически со всем. Его присутствие определяет многое из того, что происходит в атмосфере.
«То, как окисляется магма, оказывает глубокое влияние на растворимость азота», — говорят авторы. Азот необходим для образования аммиака, поскольку аммиак представляет собой NH.3. Поэтому, когда JWST не обнаружил аммиака в атмосфере K2-18b, это, возможно, не указывает на существование хайковского мира. Вместо этого это может указывать на океан магмы.
Исследователи использовали модели и моделирование, чтобы попытаться определить, что означают наблюдения JWST для K2-18b.
Исследователи обнаружили, что некоторые из результатов их моделирования мира магматического океана согласуются с тем, что обнаружил JWST. «Набор результирующих атмосфер в сценарии океана магмы согласуется с полным спектром пропускания K2-18b, наблюдаемым JWST», — пишут они, добавляя, что «эта самосогласованная модель океана магмы может дать качественно аналогичный спектр пропускания наблюдались для K2-18b и в целом для планет Хайса».
Если Шорттл и его коллеги правы, то недостаток аммиака больше нельзя использовать для указания на наличие океана на хайском мире. Профиль аммиака в атмосфере можно отнести как к сценарию океана магмы, так и к сценарию водного мира. Они не эксклюзивны.
Какое решение?
«Таким образом, следует искать альтернативные взаимоисключающие химические индикаторы присутствия водного океана по сравнению с океаном магмы, чтобы будущие наблюдения могли различать эти потенциальные сценарии», — пишут исследователи.
Авторы полагают, что они, возможно, нашли химический индикатор, способный выполнить эту работу. Говорят, что найти оба CO2 и CO в атмосфере экзопланеты может указывать на наличие океана магмы. «Одним из таких возможных индикаторов и источником потенциального несоответствия сценария океана магмы наблюдаемому спектру K2-18b является сосуществование CO.2 и CO», — объясняют они. Проблема в том, что наличие какого-либо CO в атмосфере K2-18b сомнительно.
Исследователи показали, что мы не можем полагаться на обнаружение углерода и необнаружение аммиака, чтобы указать на хайкийский мир, потому что при некоторых обстоятельствах океан магмы может производить тот же химический профиль атмосферы. Что может быть сделано?
Разумеется, более качественные данные и дополнительные исследования.
«Разработка четких, устраняющих неоднозначность атмосферных индикаторов присутствия жидкой воды и магмы
Океаны играют ключевую роль в наших поисках потенциально обитаемых миров среди населения экзопланет», — заключают они.
