Jak wykryć ukryte oceany na egzoplanetach?

W naszym Układzie Słonecznym planety są albo małe i skaliste (jak Ziemia), albo duże i gazowe (jak Neptun). Ale wokół innych gwiazd astronomowie znaleźli planety znajdujące się pomiędzy nimi – światy nieco większe niż Ziemia, ale mniejsze niż Neptun. Planety te mogą mieć skaliste powierzchnie lub oceany z wodą ciekłą, ale większość z nich ma prawdopodobnie atmosferę nieprzezroczystą, wielokrotnie grubszą niż ziemska.

W nowym badaniu, zaakceptowanym w Astrophysical Journal Letters, naukowcy pokazują, w jaki sposób chemia atmosfery może dać nam pewne wskazówki na temat tego, co znajduje się pod spodem – w szczególności, które planety są zbyt gorące, aby utrzymać oceany z wodą ciekłą. Ponieważ woda w stanie ciekłym jest niezbędnym składnikiem życia, jakie znamy, technika ta może pomóc naukowcom zawęzić poszukiwania potencjalnie nadających się do zamieszkania egzoplanet lub planet poza naszym Układem Słonecznym. W naszej galaktyce potwierdzono ponad 4500 egzoplanet a pozostało jeszcze ponad 7700 kandydatów czekających  potwierdzenie, ale i tak naukowcy szacują, że w naszej galaktyce istnieją setki miliardów egzoplanet.

Niektóre teleskopy kosmiczne NASA wyposażone w spektrometry mogą ujawnić skład chemiczny atmosfery egzoplanety. Profil chemiczny Ziemi nie byłby w stanie ujawnić zdjęć, powiedzmy, krów lub ludzi na powierzchni planety, ale pokazałby dwutlenek węgla i metan wytwarzany przez ssaki oraz tlen wytwarzany przez drzewa. Żadna z tych substancji chemicznych sama w sobie nie byłaby oznaką życia, ale w połączeniu wskazują na możliwość, że nasza planeta jest zamieszkana.
Aby pomóc zrozumieć niesamowitą różnorodność egzoplanet, które istnieją w naszej galaktyce, naukowcy czasami używają terminów takich jak „gorący Jowisz” i „mini-Neptun”, aby wskazać podobieństwa i różnice między egzoplanetami a planetami w naszym Układzie Słonecznym.

Nowy artykuł pokazuje, które chemikalia mogą wskazywać na ukryte oceany na egzoplanetach o średnicy od 1,7 do 3,5 razy większej od Ziemi.

Gęsta atmosfera na planecie zatrzymałaby ciepło na powierzchni i podniosłaby jej temperaturę. Jeśli atmosfera osiągnie pewien próg – zwykle około 770 stopni Celsjusza – zajdzie proces, który zmieni jej profil chemiczny. Nowy stan atmosfery nazywamy równowagą termochemiczną. Po osiągnięciu równowagi termochemicznej — i zakładając, że atmosfera planety składa się głównie z wodoru, co jest typowe dla gazowych egzoplanet — ewentualny węgiel i azot będą występowały w związkch takich, jak metan i amoniak.

Tych chemikaliów w dużej mierze brakowałoby w chłodniejszej, cieńszej atmosferze, gdzie nie wystąpiłby opisany proces. W takim przypadku dominującymi formami węgla i azotu byłby dwutlenek węgla i cząsteczki dwóch atomów azotu.

Według badań, ocean w postaci ciekłej wody pod atmosferą pochłonąłby cały pozostały amoniak z atmosfery. Gazowy amoniak jest bowiem dobrze rozpuszczalny w wodzie, w zależności od pH oceanu (jego poziomu kwasowości). W szerokim zakresie prawdopodobnych poziomów pH oceanu naukowcy potwierdzili, że atmosfera powinna być praktycznie wolna od amoniaku, gdy pod nią znajduje się ogromny ocean.

Ponadto w atmosferze byłoby więcej dwutlenku węgla niż tlenku węgla; odwrotnie byłoby gdyby doszło równowagi termochemicznej, wtedy powinno być więcej tlenku węgla niż dwutlenku węgla o ile w ogóle uda się je wykryć.

Reasumując, jeśli zauważymy równowagę termochemiczną możemy wnioskować, że planeta jest zbyt gorąca, aby nadawać się do zamieszkania. Odwrotnie – jeśli nie ma śladu równowagi termochemicznej, a także gazu rozpuszczonego w oceanie płyn-woda, uznalibyśmy je za silny wskaźnik możliwości istnienia życia.

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba NASA, który ma wystartować 18 grudnia, będzie wyposażony w spektrometr zdolny do badania atmosfer egzoplanet. Naukowcy tacy jak Hu pracują nad przewidywaniem, jakie rodzaje profili chemicznych Webb zobaczy w tych atmosferach i co mogą one ujawnić na temat tych odległych światów. Obserwatorium jest w stanie zidentyfikować oznaki braku równowagi termochemicznej w atmosferach ezgoplanet podobnych do Neptuna – innymi słowy oznaki ukrytego oceanu.

Wykrywania oceanów na egzoplanetach, może być trudna w praktyce. Większość planet neptunopodobnych jest otoczona grubą wodorową atmosferą. Wykrywanie w nich niewielkich ilości azotu, amoniaku czy dwutlenku węgla będzie na pewno wyzwaniem dla badaczy.