Kako astrofizičari pretpostavljaju da li na nekoj planeti ima vode i kako bi ta planeta izgledala? Nova studija pokazuje kako hemikalije u atmosferi egzoplaneta mogu, u nekim slučajevima, otkriti je li temperatura na njegovoj površini prevruća za tekuću vodu.

U našem Sunčevom sistemu planete su ili male i stjenovite (poput Zemlje) ili velike i plinovite (kao Neptun). Ali oko drugih zvijezda, astronomi su pronašli planete koji se nalaze između ove dvije vrste – svjetove nešto veće od Zemlje, ali manje od Neptuna. Ovi planeti mogu imati stjenovite površine ili oceane s tekućom vodom, ali većina je vjerovatno prekrivena atmosferama koje su mnogo puta gušće od Zemljine i neprozirne.

U novoj studiji, prihvaćenoj u Astrophysical Journal Letters (još je u preprintu), naučnici pokazuju kako bi hemija tih atmosfera mogla otkriti tragove o tome šta se nalazi ispod – tačnije, koje su planete prevruće da bi mogle podržati oceane s tekućom vodom. Budući da je tekuća voda neophodna za život kakav poznajemo, ova tehnika bi mogla pomoći naučncima da suze potragu za potencijalno nastanjivim egzoplanetama. 

 

Više od 4500 egzoplaneta potvrđeno je u našoj galaksiji, s više od 7700 kandidata koje tek treba potvrditi, ali naučnici procjenjuju da u našoj galaksiji postoje stotine milijardi egzoplaneta.

 

Neki NASA-ini svemirski teleskopi opremljeni spektrometrima mogu otkriti hemijski sastav atmosfere egzoplaneta. Hemijski profil Zemlje ne bi mogao otkriti slike, recimo, krava ili ljudi na površini planeta, ali bi pokazao ugljični dioksid i metan koji proizvode sisari, te kisik koji proizvodi drveće. Nijedna od ovih hemikalija sama po sebi ne bi bila znak života, ali u kombinaciji bi ukazivala na mogućnost da je naš planet naseljen.

Planete u drugim sistemima ne moraju biti kao planete u našem sistemu. Recimo, može se desiti da planete veličine Jupitera ili Neptina budu smještene u blizini zvijezde, kao naš Merkur. Da bi opisali ove planete, naučnici se služe opet poređenjima sa Solarnim sistemom, pa takve planete zovu “vrući Jupiteri” ili “topli Neptuni”. Ili drugačije – “super-Zemlje”. 

Novi rad pokazuje koje bi hemikalije mogle ukazivati ​​na skrivene oceane na egzoplanetima između 1.7 i 3.5 promjera Zemlje. Budući da je Neptun oko četiri puta veći od promjera Zemlje, ovi planeti se ponekad nazivaju “pod-Neptunima” (sub-Neptunes)

Gusta atmosfera na takvom sub-Neptunu zarobila bi toplinu na površini i podigla temperaturu. Ako atmosfera dosegne određeni prag – obično oko 770 stepeni Celzijusa) – proći će proces koji se naziva termohemijska ravnoteža koji mijenja njezin hemijski profil. Nakon što nastupi termohemijska ravnoteža – i pod pretpostavkom da se atmosfera planeta sastoji uglavnom od vodika, što je tipično za plinovite egzoplanete – ugljik i dušik će pretežno biti u obliku metana i amonijaka.

Te bi hemikalije uglavnom nedostajale u hladnijoj, tanjoj atmosferi u kojoj nije došlo do termohemijske ravnoteže. U tom slučaju dominantni oblici ugljika i dušika bili bi ugljični dioksid i molekule od dva atoma dušika.

Tekući/vodeni ocean ispod atmosfere ostavio bi dodatne znakove, prema studiji, uključujući odsutnost gotovo cijelog zalutalog amonijaka, koji bi bio otopljen u oceanu. Plinovit amonijak je vrlo topiv u vodi, ovisno o pH oceana. U širokom rasponu vjerovatnih razina pH oceana, naučnici su otkrili da bi atmosfera trebala biti praktički bez amonijaka kada se ispod nalazi ogroman ocean.

Osim toga, u atmosferi bi bilo više ugljičnog dioksida nego ugljičnog monoksida; nasuprot tome, nakon termohemijske ravnoteže, trebalo bi biti više ugljičnog monoksida nego ugljičnog dioksida ako postoje količine koje se mogu detektirati.

 

“Ako vidimo znakove termohemijske ravnoteže, zaključili bismo da je planet prevruć da bi bio nastanjen“, rekao je Renyu Hu, istraživač u NASA-inom Laboratoriju za mlazni pogon (JPL), koji je vodio studiju. “Obratno, ako ne vidimo potpis termohemijske ravnoteže i također vidimo potpise plina otopljenog u oceanu, to bismo shvatili kao snažan pokazatelj nastanjivosti.“

 

NASA-in svemirski teleskop James Webb, koji bi trebao biti lansiran 18. decembra,  imaće spektrometar sposoban za proučavanje atmosferu egzoplaneta. To je jedna dodatna vrijednost ovog novog svemirskog teleskopa koji će zamijeniti dobri stari Hubble i čije lansiranje s nestrpljenjem iščekujemo. 

Naučnici poput Hua rade na predviđanju kakve će hemijske profile Webb vidjeti u tim atmosferama i što bi mogli otkriti o tim udaljenim svjetovima. James Webb teleskop ima sposobnost identificirati znakove termohemijske ravnoteže u sub-neptunskim atmosferama – drugim riječima, znakove skrivenog oceana.

Dok Webb otkriva nove planete ili radi dublje studije poznatih planeta, ove informacije mogu pomoći naučnicima da odluče koji su od njih vrijedni dodatnih posmatranja, posebno ako žele ciljati planete na kojima bi moglo biti života.

“Nemamo izravne dokaze koji bi nam rekli koje su zajedničke fizičke karakteristike sub-Neptuna“, rekao je Hu. “Mnogi od njih mogu imati masivne atmosfere vodika, ali dosta bi ih još uvijek moglo biti ‘oceanski planeti’. Nadam se da će ovaj rad potaknuti još mnogo promatranja u bliskoj budućnosti da saznaju.“