Если и есть какое-то химическое вещество, вызывающее ажиотаж в поисках биосигнатур в других мирах, то это метан. Это не пустая шутка, потому что у него есть как биотические, так и абиотические источники. Но обнаружение его в атмосфере экзопланеты означает, что планета заслуживает более пристального внимания.
Метан привлекает научное внимание главным образом из-за его непродолжительного пребывания в атмосфере планеты. Метан не может долго противостоять свету звезд, по крайней мере, в земной атмосфере. Он поддается фотодиссоциации и нуждается в постоянном пополнении, чтобы поддерживать свое присутствие в атмосфере.
Если на каменистой планете много метана, то источник должен быть массивным, что делает вероятным биотический источник. На Земле биологическая активность создает огромное количество метана. Метаболически метан получить несложно.
Метан широко распространен в нашей Солнечной системе, хотя и не всегда в изобилии. Насколько ученые могут сказать, все это абиотично. Это можно объяснить такими процессами, как серпентинизация. Серпентинизация — это естественный абиотический процесс, в котором участвуют вода, углекислый газ и минерал оливин. Оливин распространен на Земле и является основным компонентом верхней мантии нашей планеты. Мы также нашли его на Луне, Марсе и некоторых астероидах.
Недавно космический телескоп Джеймса Уэбба обнаружил метан в атмосфере WASP-80b, газового гиганта, примерно вдвое массивнее Юпитера. WASP-80b вращается вокруг звезды главной последовательности K-типа возрастом около 1,5 миллиардов лет. WASP 80 находится на расстоянии около 162 световых лет от нас, а WASP-80b — единственная планета, обнаруженная на данный момент вокруг звезды.
Поскольку WASP-80b является газовым гигантом, то жизнь исключена, за исключением некоторых экстремальных научно-фантастических сценариев. Но серпентинизация оливина, самого известного абиотического источника метана, также исключается, поскольку WASP-80b не является каменистой планетой. Но найти его все равно интересно. Отчасти это потому, что теперь мы можем сравнить экзопланету с метансодержащими атмосферами Урана и Нептуна в нашей Солнечной системе. Это может только помочь нам лучше понять будущие обнаружения метана.
Новая статья, опубликованная в журнале Nature, представляет это открытие. Он называется «Метан во всей атмосфере теплой экзопланеты WASP-80b». Ведущий автор — Тейлор Белл, научный сотрудник Института экологических исследований в районе Залива.
WASP-80b — теплый Юпитер. Его температура составляет около 550 градусов Цельсия (1025 F; 825 К). Таким образом, он находится между горячими Юпитерами, такими как HD 209458 b (первая обнаруженная транзитная экзопланета), и холодными Юпитерами, такими как самая большая планета нашей Солнечной системы. Температура нашего Юпитера составляет около 112 градусов Цельсия (235 F; 125 К).
Температура – важный момент. В атмосферах экзопланет наблюдается нехватка обнаружений метана, поэтому на этом этапе игры каждое обнаружение играет важную роль в разработке атмосферной теории и руководстве последующими исследованиями. Температура WASP-80b переводит его в «интересный переходный режим, в котором равновесные химические модели предсказывают, что в спектрах пропускания и излучения планеты должны быть заметные особенности CH4 и CO/CO2…», объясняют авторы исследования.
WASP-80b находится очень близко к своему красному карлику, и его оборот по орбите занимает всего три дня. Поскольку планета находится так далеко и так близко к своей звезде, даже мощный JWST не может ее увидеть. Вместо этого астрономы использовали JWST для изучения совокупного света звезды и планеты во время транзитов и затмений.
Телескопы вроде «Хаббла» и «Спитцера», которые оба могут наблюдать в инфракрасном диапазоне, хотя и не так, как JWST, обнаружили не так много метана в атмосферах экзопланет. Отсутствие обнаружений побудило ученых разработать теоретические объяснения того, как метан может быть истощен в атмосфере. Высокая металличность, высокий внутренний тепловой поток и другие причины были исследованы как механизмы истощения метана.
Поскольку JWST теперь обнаружил метан, возникает важный вопрос. «Однако это окончательное обнаружение метана во всей атмосфере WASP-80b с помощью JWST-спектроскопии низкого разрешения поднимает вопрос, в какой степени прошлые случаи отсутствия обнаружения были затронуты редким охватом длин волн и точностью, достижимой с помощью HST и Spitzer», — авторы писать. Поэтому, если астрономы продолжат обнаруживать метан в атмосферах экзопланет, нам, возможно, придется изменить наше представление о метане как о биосигнатуре.
«Поскольку мы находим метан и другие газы на экзопланетах, мы продолжим расширять наши знания о том, как химия и физика работают в условиях, отличающихся от тех, что мы имеем на Земле, и, возможно, когда-нибудь в ближайшее время, на других планетах, которые напоминают нам о том, что мы имеем здесь, на Земле. домой», — написали авторы в блоге НАСА.
Исследователи объясняют, что обнаружение экзопланет с метаном в атмосфере также помогает нам понять нашу Солнечную систему. «НАСА имеет опыт отправки космических аппаратов к газовым гигантам нашей солнечной системы для измерения количества метана и других молекул в их атмосферах», — пишут авторы. «Теперь, проведя измерения того же газа на экзопланете, мы можем начать проводить сравнение «яблок с яблоком» и посмотреть, соответствуют ли ожидания от Солнечной системы тому, что мы видим за ее пределами».
Исследователи также говорят, что измерение метана рядом с водой помогает определить, как и где образовалась планета. «Например, измеряя количество метана и воды на планете, мы можем сделать вывод о соотношении атомов углерода и атомов кислорода», — пишут они. «Ожидается, что это соотношение будет меняться в зависимости от того, где и когда в их системе формируются планеты». Астрономы могут использовать эти данные, чтобы определить, сформировалась ли планета близко к своей звезде или сформировалась дальше, а затем мигрировала внутрь.
JWST, вероятно, еще не завершен с WASP-80b. Эти данные получены с помощью инструмента NIRCam космического телескопа. Будущие наблюдения MIRI и NIRCam позволят исследовать планету на разных длинах волн, что должно обнаружить другие молекулы углерода, такие как окись углерода и диоксид углерода. «Наши результаты заставляют нас думать, что мы сможем наблюдать другие богатые углеродом молекулы, такие как окись углерода и углекислый газ, что позволит нам нарисовать более полную картину условий в атмосфере этой планеты», — объясняют исследователи.
Хотя метан привлекает всеобщее внимание из-за своей связи с биологией, это исследование показывает нам другую сторону метана. Это может помочь нам понять, как и где образовались некоторые планеты и мигрировали ли они. Обнаружение метана на экзопланетах поможет нам лучше понять атмосферу экзопланет. Они могут даже помочь нам понять нашу Солнечную систему, о которой у нас до сих пор так много вопросов.
JWST призван сыграть ключевую роль в расширении наших знаний о метане и атмосфере.
«Одно ясно: путь открытий космического телескопа Джеймса Уэбба полон потенциальных сюрпризов», — говорят авторы.
