Teleskopy mogą nie być w stanie wykryć całej wody na egzoplanetach

Woda na egzoplanetach może występować znacznie częściej, niż sugerują dotychczasowe obserwacje. Naukowcy wykazali, że na wielu mini-Neptunach może opadać głęboko pod atmosferę, przez co pozostaje niewidoczna nawet dla Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba.

Najczęstsze planety we Wszechświecie mogą zawierać więcej wody, niż sądzono

W ramach nowego badania naukowcy z University of Chicago odkryli, że planety, które wydają się najczęściej występować we Wszechświecie, mogą zawierać dużo wody, ale może być ona ukryta w miejscach, których teleskopy nie są w stanie wykryć. Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie „The Astrophysical Journal”.

Astronomowie przyjrzeli się bliżej tajemniczej klasie obcych światów określanych jako mini-Neptuny lub sub-Neptuny, które są nieco mniejsze od Neptuna. To najliczniejszy typ planet, jaki udało się dotąd skatalogować w Drodze Mlecznej, jednak nie mają one odpowiednika w Układzie Słonecznym. Z tego powodu naukowcy muszą tworzyć szczegółowe symulacje, aby lepiej zrozumieć ich budowę i właściwości.

Nowe analizy wykazały, że światy te mogą zawierać więcej wody, niż dotychczas przypuszczano. Może ona jednak opadać głęboko do wnętrza planety, gdzie pozostaje niewidoczna nawet dla Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba.

„Jest bardzo możliwe, że te planety skrywają znacznie więcej wody, niż sugerują obserwacje ich atmosfer. To ważne nie tylko dlatego, że woda ma kluczowe znaczenie dla życia, jakie znamy, ale również dlatego, że pokazuje, iż dane z nowych, potężnych teleskopów musimy interpretować znacznie ostrożniej, aby właściwie zrozumieć, co naprawdę dzieje się na tych planetach” – mówi Caroline Piaulet-Ghorayeb z University of Chicago.

Teleskopy mogą nie dostrzegać wszystkiego

Większość planet we Wszechświecie krąży wokół odległych gwiazd, podobnie jak Ziemia wokół Słońca. Ich bezpośrednia obserwacja jest niezwykle trudna, ponieważ obiekty, wokół których orbitują, świecą o wiele jaśniej. Mimo to naukowcy nauczyli się odczytywać informacje o takich światach z subtelnych sygnałów.

Przykładowo Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba potrafi określić skład atmosfery planety, analizując światło gwiazdy przechodzące przez jej atmosferę podczas tranzytu przed tarczą obiektu macierzystego.

Mini-Neptuny – najliczniejszy typ planet w Drodze Mlecznej

Jak wskazują astronomowie, szczególną zagadką pozostają mini-Neptuny. W Układzie Słonecznym nie ma planet o podobnych właściwościach. Są one zbyt gęste, by zaliczyć je do gazowych olbrzymów, takich jak Jowisz, ale jednocześnie zbyt rzadkie, aby uznać je za planety skaliste, takie jak Ziemia. Najprawdopodobniej są mieszaniną skał, gazów i wody, jednak dokładne proporcje tych składników pozostają nieznane.

Do niedawna badacze zakładali, że ponieważ planety te są stosunkowo ciepłe, ich atmosfera i głębsze warstwy są wymieszane. Oznaczałoby to, że skład atmosfery wiernie odzwierciedla skład wnętrza planety. Nowe analizy pokazały jednak, że nie musi tak być i w rzeczywistości może być zupełnie inaczej.

Astronomowie podkreślają, że planety są niezwykle złożonymi obiektami. Nawet wiedza o wnętrzu Ziemi opiera się częściowo na modelach, ponieważ człowiek nigdy nie przewiercił się głębiej niż około 12 kilometrów, co stanowi zaledwie niewielką część jej skorupy. Aby zrozumieć budowę odległych planet, naukowcy tworzą zaawansowane symulacje łączące dane z teleskopów z wiedzą z zakresu planetologii oraz praw chemii i fizyki.

W nowym badaniu naukowcy jako przykład wykorzystali planetę TOI-270 d, krążącą wokół gwiazdy znajdującej się w gwiazdozbiorze Malarza. Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba wykrył w jej atmosferze wodór, metan i dwutlenek węgla. Zdaniem astronomów obecność tych gazów powinna wiązać się również z dużą ilością wody.

Woda na egzoplanetach może pozostawać poza zasięgiem teleskopów

Badacze wskazują jednak, że problem polega na tym, że woda może zachowywać się bardzo różnie w zależności od warunków. Może występować jako lód, para wodna, ciecz, a nawet jako płyn nadkrytyczny (supercritical fluid) – niezwykły stan materii osiągany przy bardzo wysokim ciśnieniu.

Naukowcy dokładniej przeanalizowali warunki, w których wodór i woda mieszają się lub rozdzielają. Okazało się, że decydujące znaczenie ma dokładny skład mieszaniny. W chłodniejszych atmosferach lub na planetach szczególnie bogatych w wodę, takich jak TOI-270 d, może ona opadać poniżej lżejszego wodoru. W efekcie pozostaje ukryta przed obserwacjami teleskopów.

Badanie pomoże lepiej zrozumieć powstawanie planet

Obecne metody obserwacyjne nie pozwalają jeszcze rozstrzygnąć, czy właśnie taki scenariusz zachodzi na TOI-270 d. Na razie planety tego typu pozostają w dużej mierze zagadką dla badaczy.

Zdaniem astronomów TOI-270 d i podobne planety najprawdopodobniej nie są miejscami przyjaznymi dla życia podobnego do ziemskiego. Jeśli rzeczywiście zawierają wodę, znajduje się ona pod ogromnym ciśnieniem i w bardzo wysokiej temperaturze, ukryta pod grubą atmosferą.

Lepsze poznanie fizyki i chemii tych światów pozwoli naukowcom lepiej zrozumieć procesy powstawania planet, co ma kluczowe znaczenie dla poszukiwań światów potencjalnie nadających się do zamieszkania.

Ten układ jest spójny, nie zdradza od razu wszystkich wniosków i prowadzi czytelnika od odkrycia, przez metodę badań i charakterystykę mini-Neptunów, do przykładu TOI-270 d, wyjaśnienia mechanizmu oraz znaczenia odkrycia.

Emil Gołoś