Nowe badanie przeprowadzone za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba NASA dotyczące K2-18 b, egzoplanety o masie 8,6 razy masywniejszej od Ziemi, ujawniło obecność cząsteczek zawierających węgiel, w tym metanu i dwutlenku węgla. Odkrycie Webba stanowi uzupełnienie ostatnich badań sugerujących, że K2-18 b może być egzoplanetą Hycean, która może posiadać atmosferę bogatą w wodór i powierzchnię pokrytą oceanem.
Pierwszy wgląd w właściwości atmosfery tej egzoplanety znajdującej się w strefie zamieszkiwalnej uzyskano dzięki obserwacjom za pomocą należącego do NASA Kosmicznego Teleskopu Hubble’a, które zapoczątkowały dalsze badania, które od tego czasu zmieniły nasze rozumienie tego układu.
K2-18 b okrąża chłodnego karła K2-18 w ekosferze i leży 120 lat świetlnych od Ziemi w gwiazdozbiorze Lwa. Egzoplanety takie jak K2-18 b, których rozmiary mieszczą się w granicach Ziemi i Neptuna, nie przypominają niczego w naszym Układzie Słonecznym. Ten brak odpowiedników pobliskich planet oznacza, że te „podNeptuny” są słabo poznane, a natura ich atmosfer jest przedmiotem aktywnej debaty wśród astronomów.
Sugestia, że sub-Neptun K2-18 b może być egzoplanetą Hycean, jest intrygująca, ponieważ niektórzy astronomowie uważają, że te światy są obiecującymi środowiskami do poszukiwania dowodów na życie na egzoplanetach.
„Nasze odkrycia podkreślają znaczenie uwzględnienia różnorodnych środowisk mieszkalnych w poszukiwaniu życia gdzie indziej” – wyjaśnił Nikku Madhusudhan, astronom z Uniwersytetu w Cambridge i główny autor artykułu ogłaszającego te wyniki. „Tradycyjnie poszukiwania życia na egzoplanetach skupiały się głównie na mniejszych planetach skalistych, ale większe światy Hycean znacznie lepiej sprzyjają obserwacjom atmosfery”.
Obfitość metanu i dwutlenku węgla oraz niedobór amoniaku potwierdzają hipotezę, że pod atmosferą bogatą w wodór w K2-18 b może znajdować się ocean wodny. Te wstępne obserwacje Webba umożliwiły również wykrycie cząsteczki zwanej siarczkiem dimetylu (DMS). Na Ziemi jest to wytwarzane wyłącznie przez życie. Większość DMS w atmosferze ziemskiej jest emitowana przez fitoplankton w środowiskach morskich.
Wnioskowanie na podstawie DMS jest mniej solidne i wymaga dalszej walidacji. „Nadchodzące obserwacje Webba powinny potwierdzić, czy DMS rzeczywiście występuje w atmosferze K2-18 b w znaczących ilościach” – wyjaśnił Madhusudhan.
Chociaż K2-18 b leży w strefie zamieszkiwalnej i obecnie wiadomo, że zawierają cząsteczki zawierające węgiel, nie musi to koniecznie oznaczać, że na planecie może istnieć życie. Duże rozmiary planety – o promieniu 2,6 promienia Ziemi – oznaczają, że wnętrze planety prawdopodobnie zawiera duży płaszcz z lodu pod wysokim ciśnieniem, podobnie jak Neptun, ale z cieńszą, bogatą w wodór atmosferą i powierzchnią oceanu. Przewiduje się, że na światach Hycean będą znajdować się oceany wody. Jednak możliwe jest również, że ocean jest zbyt gorący, aby nadawał się do zamieszkania lub był płynny.
„Chociaż tego rodzaju planety nie istnieją w naszym Układzie Słonecznym, podNeptuny są najpopularniejszym typem planet znanych dotychczas w galaktyce” – wyjaśnił członek zespołu Subhajit Sarkar z Uniwersytetu w Cardiff. „Uzyskaliśmy jak dotąd najbardziej szczegółowe widmo sub-Neptuna znajdującego się w strefie zamieszkiwalnej, co pozwoliło nam ustalić cząsteczki występujące w jego atmosferze”.
Charakteryzowanie atmosfer egzoplanet takich jak K2-18 b – czyli identyfikacja występujących w nich gazów i warunków fizycznych – jest bardzo aktywnym obszarem astronomii. Jednak planety te są przyćmione – dosłownie – przez blask swoich znacznie większych gwiazd macierzystych, co sprawia, że badanie atmosfer egzoplanet jest szczególnie trudne.
Zespół uniknął tego wyzwania, analizując światło gwiazdy macierzystej K2-18 b przechodzącej przez atmosferę egzoplanety. K2-18 b jest egzoplanetą tranzytową, co oznacza, że możemy wykryć spadek jej jasności, gdy przechodzi ona przez twarz swojej gwiazdy macierzystej. W ten sposób egzoplaneta została po raz pierwszy odkryta w 2015 roku podczas misji NASA K2. Oznacza to, że podczas tranzytów niewielka część światła gwiazd przechodzi przez atmosferę egzoplanety, zanim dotrze do teleskopów takich jak Webb. Światło gwiazd przechodzące przez atmosferę egzoplanety pozostawia ślady, które astronomowie mogą połączyć w celu określenia zawartości gazów w atmosferze egzoplanety.
„Ten wynik był możliwy tylko dzięki rozszerzonemu zakresowi długości fal i niespotykanej czułości Webba, która umożliwiła niezawodne wykrywanie cech widmowych przy zaledwie dwóch przejściach” – powiedział Madhusudhan. „Dla porównania jedna obserwacja tranzytu za pomocą Webba zapewniła porównywalną precyzję z ośmioma obserwacjami za pomocą Hubble’a prowadzonymi przez kilka lat i w stosunkowo wąskim zakresie długości fal”.
„Te wyniki są wynikiem zaledwie dwóch obserwacji K2-18 b, a wiele innych jest w toku” – wyjaśnił członek zespołu Savvas Constantinou z Uniwersytetu w Cambridge. „Oznacza to, że nasza praca to jedynie wczesna demonstracja tego, co Webb może zaobserwować na egzoplanetach w strefach mieszkalnych”.
Wyniki zespołu zostały zaakceptowane do publikacji w The Astrophysical Journal Letters.
Zespół zamierza teraz przeprowadzić dalsze badania za pomocą spektrografu MIRI (instrumentu średniej podczerwieni) znajdującego się na teleskopie, które, jak mają nadzieję, potwierdzą dalsze ustalenia i dostarczą nowych informacji na temat warunków środowiskowych na K2-18 b.
„Naszym ostatecznym celem jest identyfikacja życia na nadającej się do zamieszkania egzoplanecie, co zmieni nasze rozumienie naszego miejsca we wszechświecie” – podsumował Madhusudhan. „Nasze odkrycia stanowią obiecujący krok w kierunku głębszego zrozumienia światów Hycean w ramach tych poszukiwań”.