В новом исследовании международная группа ученых показала, что недостаток углерода в атмосфере экзопланеты по сравнению с другими телами в системе можно считать явным признаком наличия жидкой воды на поверхности. Главное, что такой способ поиска обитаемых миров можно использовать уже сегодня.
На сегодняшний день известно более 5,2 тысячи экзопланет и около 10 тысяч кандидатов. Запуск космического телескопа «Джеймс Уэбб» и строительство обсерватории ELT спровоцировали качественный переход в сфере изучения этих иных миров: от простого поиска к исследованию характеристик экзопланет.
Теперь, проведя наблюдения за тем, как экзопланета пролетает перед звездой (так называемым транзитом), астрономы могут делать выводы о перепаде температуры, давлении и составе ее атмосферы, если таковая есть. При достаточной точности наблюдений можно распознать изотопы элементов, измерить скорость ветра и изучить разреженную экзосферу.
Пока эти методы применяются в основном к газовым гигантам, летающим близко от своей звезды. Но с помощью теоретических расчетов и моделирования ученые ищут способы использовать их для исследования экзопланетам земного типа.
Согласно результатам таких работ, всего за десять транзитов «Джеймс Уэбб» может изучить углекислый газ и воду в атмосферах ближайших планет земного типа с умеренными условиями на поверхности. Например, у планет в системе TRAPPIST-1.
А вот для того, чтобы выявить кислород O2, признанную биосигнатуру, указывающую на существовование жизни, «Джеймсу Уэббу» потребуется более тысячи транзитов. По сути, он должен будет потратить на этот объект все время своей работы.
Другая сложно решаемая проблема — наличие большого количества жидкой воды на поверхности экзопланеты. В пределах Солнечной системы ученые ищут ее по бликам на поверхности, отраженному солнечному свету. В частности, так подтвердили наличие жидкости на поверхности Титана, крупнейшего спутника Сатурна. Конечно, мощности наших телескопов не хватит на подобные наблюдения в других системах. Но именно поиск жизни на ближайших телах навел авторов нового исследования на мысль об углекислом газе.
Венера, Земля и Марс во многом похожи друг на друга по составу и расположению относительно Солнца. Но только на Земле есть жидкая вода, и только у Земли в атмосфере заметно меньше углекислого газа — 0,04% против >95% у Венеры и Марса. Причем пониженное содержание углекислого газа — не современная особенность нашей планеты. Четыре миллиарда лет назад (возраст Земли — около 4,5 миллиарда лет) уровень CO2 в атмосфере составлял около 10%, а 2,5 миллиарда лет назад — 2,5%.
«Мы предполагаем, что эти планеты формировались схожим образом, и если мы видим, что сегодня у одной из планет значительно меньше углерода, значит, он куда-то делся. Единственный процесс, способный забрать столько углерода из атмосферы, это сильный круговорот воды, в котором должны участвовать целые океаны жидкой воды», — объяснил профессор Амаури Триауд (Amaury Triaud) из Бирмингемского университета (Великобритания), один из авторов работы.
Поэтому международная группа ученых из Массачусетского технологического института (США), Бирмингемского университета (Великобритания) и других институтов во Франции и США изучила потенциал использования недостатка CO2 в качестве сигнатуры обитаемости экзопланеты. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Astronomy, и они оказались многообещающими.
Главный «вымыватель» углекислого газа из атмосферы — жидкая вода, в которой растворяется углекислый газ. А образовавшиеся на его основе карбонаты потом оказываются «запертыми» в коре и мантии планеты. Поэтому углерод не возвращается в атмосферу в количествах, достаточных для атмосферы венерианского или марсианского типов.
Что касается жизни, два основных биологических пути «поглощения» углерода из атмосферы Земли — фотосинтез и производство раковин. В круговороте углерода на нашей планете биология «участвует» примерно на 20%, поэтому для подтверждения ее влияния требуются другие сигнатуры, например, наличие озона.
Опираясь на анализ, авторы вывели стратегию поиска обитаемых миров. По их расчетам, понадобятся данные наблюдений десяти транзитов, чтобы обнаружить атмосферы у экзопланет в подходящих системах. Сорока транзитов, чтобы оценить недостаток углекислого газа у какой-либо из планет. И ста транзитов, чтобы оценить количество озона, метана и угарного газа. По этим данным можно будет определить причину недостатка углерода — наличие жизни, жидкой воды или и того, и другого.
Как утверждают авторы работы, уже сегодня космический телескоп «Джеймс Уэбб» может начать поиск недостатка углекислого газа на планетах земного типа у поздних красных карликов.
«Лишь TRAPPIST-1 и еще несколько систем подходят для исследования атмосфер планет земного типа с помощью „Джеймса Уэбба“. И теперь у нас есть план поиска там обитаемых миров. Если мы будем работать вместе, мы сможем в течение нескольких лет добиться прорывных открытий», — отметил один из авторов работы Джулиен де Вит (Julien de Wit), доцент Массачусетского технологического института (США).