Międzynarodowy zespół astronomów pod kierownictwem Uniwersytetu w Montrealu dokonał fascynującego odkrycia na temat umiarkowanej egzoplanety LHS 1140 b: może to być obiecująca „superziemia” pokryta lodem lub wodą.
Kiedy egzoplaneta LHS 1140 b została po raz pierwszy odkryta, astronomowie spekulowali, że może to być mini-Neptun: zasadniczo gazowa planeta, ale bardzo mała w porównaniu do Neptuna. Jednak po przeanalizowaniu danych z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST) zebranych w grudniu 2023 r. — w połączeniu z wcześniejszymi danymi z innych teleskopów kosmicznych, takich jak Spitzer, Hubble i TESS — naukowcy doszli do zupełnie innych wniosków.
Znajdująca się około 48 lat świetlnych od Ziemi w gwiazdozbiorze Wieloryba, LHS 1140 b wydaje się być jedną z najbardziej obiecujących egzoplanet w strefie nadającej się do zamieszkania wokół swojej gwiazdy, potencjalnie posiadającą atmosferę, a nawet ocean ciekłej wody. Wyniki tego odkrycia astronomów z Université de Montréal są dostępne na ArXiv i wkrótce zostaną opublikowane w The Astrophysical Journal Letters.
Egzoplaneta w strefie „Złotowłosej”
LHS 1140 b, egzoplaneta krążąca wokół małomasywnego czerwonego karła o rozmiarach około jednej piątej wielkości Słońca, zafascynowała naukowców, ponieważ jest jedną z najbliższych egzoplanet naszemu Układowi Słonecznemu, która znajduje się w strefie nadającej się do zamieszkania wokół swojej gwiazdy. Egzoplanety znajdujące się w tej „Strefie Złotowłosej” mają temperatury, które umożliwiłyby istnienie na nich wody w postaci ciekłej — ciekła woda jest kluczowym elementem życia, jakie znamy na Ziemi.
Na początku tego roku naukowcy pod przewodnictwem Charlesa Cadieux, doktoranta w Instytucie Badań nad Egzoplanetami Trottier (iREx) na UdeM, nadzorowanym przez profesora René Doyona, przedstawili nowe szacunki masy i promienia LHS 1140 b, które charakteryzują się wyjątkową dokładnością, porównywalną z danymi dotyczącymi dobrze znanych planet TRAPPIST-1: jest 1,7 razy większa od Ziemi i 5,6 razy masywniejsza.
Jednym z kluczowych pytań dotyczących LHS 1140 b było to, czy jest to egzoplaneta typu mini-Neptun (mały gazowy olbrzym z grubą, bogatą w wodór atmosferą) czy super-Ziemia (skalista planeta większa od Ziemi). Ten ostatni scenariusz obejmował możliwość tzw. „świata Hycean” z globalnym ciekłym oceanem otoczonym bogatą w wodór atmosferą, który wykazywałby wyraźny sygnał atmosferyczny, który można by zaobserwować za pomocą potężnego Teleskopu Webba.
Nowe spostrzeżenia z danych Webb
Dzięki niezwykle konkurencyjnemu procesowi zespół astronomów uzyskał cenny „czas uznaniowy dyrektora” (DDT) na Webb w grudniu ubiegłego roku, podczas którego zaobserwowano dwa tranzyty LHS 1140 b za pomocą kanadyjskiego instrumentu NIRISS (Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph). Ten program DDT jest dopiero drugim poświęconym badaniu egzoplanet w ciągu prawie dwóch lat działalności Webb, co podkreśla znaczenie i potencjalny wpływ tych odkryć.
Analiza tych obserwacji zdecydowanie wykluczyła scenariusz mini-Neptuna, a kuszące dowody sugerują, że egzoplaneta LHS 1140 b jest superziemią, która może mieć nawet bogatą w azot atmosferę. Jeśli ten wynik się potwierdzi, LHS 1140 b będzie pierwszą planetą o umiarkowanym klimacie, która wykazuje dowody na istnienie wtórnej atmosfery, utworzonej po początkowym uformowaniu się planety.
Szacunki oparte na wszystkich zgromadzonych danych ujawniają, że LHS 1140 b jest mniej gęsty niż oczekiwano dla skalistej planety o składzie podobnym do Ziemi, co sugeruje, że 10 do 20 procent jej masy może składać się z wody. Odkrycie to wskazuje na to, że LHS 1140 b jest fascynującym światem wodnym, prawdopodobnie przypominającym kulę śnieżną lub planetę lodową z potencjalnym oceanem cieczy w punkcie podgwiazdowym, obszarze powierzchni planety, który zawsze byłby zwrócony w stronę gwiazdy macierzystej systemu ze względu na oczekiwaną synchroniczną rotację planety (podobnie jak Księżyc Ziemi).
„Spośród wszystkich obecnie znanych egzoplanet umiarkowanych, LHS 1140 b może być naszym najlepszym kandydatem, aby pewnego dnia pośrednio potwierdzić obecność wody w stanie ciekłym na powierzchni obcego świata poza naszym Układem Słonecznym” — powiedział Cadieux, główny autor nowego badania. „Byłby to ważny kamień milowy w poszukiwaniach potencjalnie nadających się do zamieszkania egzoplanet”.
Możliwa obecność atmosfery i oceanu
Choć jest to wciąż tylko wstępny wynik, obecność bogatej w azot atmosfery na LHS 1140 b sugeruje, że planeta zachowała znaczną atmosferę, tworząc warunki, które mogą wspierać ciekłą wodę. To odkrycie sprzyja scenariuszowi wodnego świata/kuli śnieżnej jako najbardziej prawdopodobnemu.
Obecne modele wskazują, że jeśli LHS 1140 b ma atmosferę podobną do ziemskiej, byłaby to planeta-śnieżka z ogromnym oceanem „w kształcie byczego oka” o średnicy około 4000 kilometrów, co odpowiada połowie powierzchni Oceanu Atlantyckiego. Temperatura powierzchni w centrum tego obcego oceanu mogłaby wynosić nawet komfortowe 20 stopni Celsjusza.
Potencjalna atmosfera LHS 1140 b i sprzyjające warunki dla ciekłej wody czynią ją wyjątkowym kandydatem do przyszłych badań nad zamieszkalnością. Ta planeta zapewnia wyjątkową okazję do zbadania świata, który mógłby podtrzymywać życie, biorąc pod uwagę jej położenie w strefie nadającej się do zamieszkania jej gwiazdy i prawdopodobieństwo posiadania atmosfery, która może zatrzymywać ciepło i wspierać stabilny klimat.
Kilka lat obserwacji przed nami
Potwierdzenie obecności i składu atmosfery LHS 1140 b oraz rozróżnienie między scenariuszami planety śnieżnej kuli i planety oceanicznej typu bull's eye wymaga dalszych obserwacji. Zespół badawczy podkreślił potrzebę dodatkowych pomiarów tranzytu i zaćmienia za pomocą Teleskopu Webba, skupiając się na konkretnym sygnale, który mógłby ujawnić obecność dwutlenku węgla. Ta cecha jest kluczowa dla zrozumienia składu atmosfery i wykrycia potencjalnych gazów cieplarnianych, które mogłyby wskazywać na warunki nadające się do zamieszkania na egzoplanecie.
„Wykrycie atmosfery podobnej do ziemskiej na umiarkowanej planecie wykorzystuje możliwości Webba do granic możliwości – jest to wykonalne; potrzebujemy tylko dużo czasu obserwacyjnego” – powiedział Doyon, który jest również głównym badaczem instrumentu NIRISS. „Obecna wskazówka bogatej w azot atmosfery domaga się potwierdzenia większą ilością danych. Potrzebujemy co najmniej jednego roku obserwacji, aby potwierdzić, że LHS 1140 b ma atmosferę, i prawdopodobnie dwóch lub trzech kolejnych, aby wykryć dwutlenek węgla”. Według Doyona, Teleskop Webba prawdopodobnie będzie musiał obserwować ten system przy każdej możliwej okazji przez kilka lat, aby ustalić, czy LHS 1140 b ma warunki nadające się do zamieszkania.
Biorąc pod uwagę ograniczoną widoczność LHS 1140 b za pomocą teleskopu Webb (możliwych jest maksymalnie osiem wizyt rocznie), astronomowie będą potrzebować kilku lat obserwacji, aby wykryć dwutlenek węgla i potwierdzić obecność ciekłej wody na powierzchni planety.