Международная группа ученых в ходе нового исследования продемонстрировала, что дефицит углерода в атмосфере экзопланеты, по сравнению с другими объектами в системе, может свидетельствовать о наличии жидкой воды на её поверхности. Важно отметить, что этот метод поиска обитаемых планет уже доступен для использования.
На данный момент зафиксировано свыше 5,2 тысячи экзопланет и около 10 тысяч потенциальных кандидатов. Запуск космического телескопа «Джеймс Уэбб» и строительство обсерватории ELT ознаменовали собой значительный прогресс в изучении этих планет за пределами нашей Солнечной системы: теперь акцент сместился с простого обнаружения к анализу их особенностей.
Наблюдая за прохождением экзопланеты перед своей звездой (явление, известное как транзит), ученые способны определять характеристики ее атмосферы, включая перепады температуры, давление и состав, при условии ее наличия. Достаточно точные наблюдения позволяют выявлять изотопы химических элементов, измерять скорость ветра и исследовать экзосферу с ее низкой плотностью.
В настоящее время эти подходы в основном применяются к газовым гигантам, находящимся на близких орбитах вокруг своей звезды. Однако, благодаря теоретическим вычислениям и моделированию, ученые стремятся адаптировать их для изучения экзопланет, подобных Земле.
Основываясь на полученных данных, всего за десять проходов космического телескопа «Джеймс Уэбб» возможно проведение анализа углекислого газа и воды в атмосферах ближайших планет, схожих с Землей и обладающих умеренными условиями на поверхности. К примеру, это касается планет в системе TRAPPIST-1.
Для обнаружения кислорода O2, который считается подтвержденной биосигнатурой, свидетельствующей о наличии жизни, телескопу «Джеймс Уэбб» потребуется проанализировать более тысячи транзитов. Фактически, на исследование этого объекта может уйти все время работы аппарата.
Серьезные трудности представляет и наличие значительного количества жидкой воды на поверхности экзопланеты. В пределах Солнечной системы для ее обнаружения ученые анализируют отражения света от поверхности. Так, например, наличие жидкости на поверхности Титана, самого крупного спутника Сатурна, было подтверждено по этим признакам. Естественно, возможностей современных телескопов недостаточно для подобных наблюдений в других звездных системах. Однако поиск жизни на ближайших телах послужил отправной точкой для нового исследования, посвященного углекислому газу.
Венера, Земля и Марс имеют много общего в плане состава и положения относительно Солнца. Однако только на Земле присутствует жидкая вода, и только у Земли в атмосфере значительно меньшее содержание углекислого газа — 0,04% по сравнению с более чем 95% у Венеры и Марса. При этом низкое содержание углекислого газа — не современное свойство нашей планеты. Четыре миллиарда лет назад (возраст Земли составляет приблизительно 4,5 миллиарда лет) концентрация CO2 в атмосфере составлял около 10%, а 2,5 миллиарда лет назад — 2,5%.
«Мы исходим из того, что эти планеты образовались по схожей схеме, и если сейчас у одной из них заметно меньше углерода, то он должен был исчезнуть. Наиболее вероятный механизм, способный удалить такое количество углерода из атмосферы, — это интенсивный водный цикл, предполагающий наличие обширных океанов жидкой воды», — объяснил профессор Амаури Триауд (Amaury Triaud) из Бирмингемского университета (Великобритания), один из авторов работы.
В связи с этим международная команда исследователей из Массачусетского технологического института (США), Бирмингемского университета (Великобритания) и других научных организаций во Франции и США проанализировала возможность использования дефицита углекислого газа как индикатора пригодности экзопланеты для жизни. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Astronomy, и они оказались многообещающими.
Наибольшее количество углекислого газа из атмосферы поглощает жидкая вода, растворяя его. Образующиеся на её основе карбонаты затем «запираются» в земной коре и мантии. В результате углерод не возвращается в атмосферу в объемах, необходимых для создания атмосферы, подобной венерианской или марсианской.
В отношении биологических процессов, два ключевых способа извлечения углерода из атмосферы Земли – фотосинтез и формирование раковин. Биология играет приблизительно 20-процентную роль в круговороте углерода на нашей планете, поэтому для подтверждения её воздействия необходимы дополнительные признаки, такие как наличие озона.
Авторы разработали стратегию поиска обитаемых миров, основываясь на проведенном анализе. Согласно их оценкам, для выявления атмосферы у экзопланет в подходящих звездных системах потребуется информация, полученная в результате десяти транзитов. Оценка дефицита углекислого газа у какой-либо из планет потребует сорока транзитов. Для оценки содержания озона, метана и угарного газа понадобится сто транзитов. На основании этих данных станет возможным определить причину дефицита углерода – наличие жизни, жидкой воды или их сочетание.
По мнению авторов исследования, космический телескоп «Джеймс Уэбб» уже сейчас» может начать поиск недостатка углекислого газа на планетах земного типа у поздних красных карликов.
«В настоящее время лишь TRAPPIST-1 и некоторые другие звездные системы представляются перспективными для изучения атмосфер планет, схожих с Землей, при помощи телескопа „Джеймс Уэбб“. Теперь у нас разработан план, направленный на поиск потенциально обитаемых миров в этих системах. Благодаря совместным усилиям, мы сможем достичь значительных успехов в течение нескольких лет», — отметил один из авторов работы Джулиен де Вит (Julien de Wit), доцент Массачусетского технологического института (США).