У новому дослідженні міжнародна група вчених показала, що нестачу вуглецю в атмосфері екзопланети порівняно з іншими тілами в системі можна вважати явною ознакою наявності рідкої води на поверхні. Головне, що такий спосіб пошуку населених світів можна використовувати вже сьогодні.
На сьогодні відомо понад 5,2 тисячі екзопланет і близько 10 тисяч кандидатів. Запуск космічного телескопа “Джеймс Вебб” і будівництво обсерваторії ELT спровокували якісний перехід у сфері вивчення цих інших світів: від простого пошуку до дослідження характеристик екзопланет.
Тепер, провівши спостереження за тим, як екзопланета пролітає перед зіркою (так званим транзитом), астрономи можуть робити висновки про перепад температури, тиск і склад її атмосфери, якщо така є. За достатньої точності спостережень можна розпізнати ізотопи елементів, виміряти швидкість вітру і вивчити розріджену екзосферу.
Поки що ці методи застосовуються переважно до газових гігантів, що літають близько від своєї зірки. Але за допомогою теоретичних розрахунків і моделювання вчені шукають способи використовувати їх для дослідження екзопланет земного типу.
Згідно з результатами таких робіт, усього за десять транзитів “Джеймс Вебб” може вивчити вуглекислий газ і воду в атмосферах найближчих планет земного типу з помірними умовами на поверхні. Наприклад, у планет у системі TRAPPIST-1.
А ось для того, щоб виявити кисень O2, визнану біосигнатуру, що вказує на існування життя, “Джеймсу Веббу” знадобиться понад тисячу транзитів. По суті, він повинен буде витратити на цей об’єкт весь час своєї роботи.
Інша складно розв’язувана проблема – наявність великої кількості рідкої води на поверхні екзопланети. У межах Сонячної системи вчені шукають її за відблисками на поверхні, відбитим сонячним світлом. Зокрема, так підтвердили наявність рідини на поверхні Титана, найбільшого супутника Сатурна. Звісно, потужності наших телескопів не вистачить на подібні спостереження в інших системах. Але саме пошук життя на найближчих тілах навів авторів нового дослідження на думку про вуглекислий газ.
Венера, Земля і Марс багато в чому схожі одна на одну за складом і розташуванням щодо Сонця. Але тільки на Землі є рідка вода, і тільки у Землі в атмосфері помітно менше вуглекислого газу – 0,04% проти >95% у Венери і Марса. Причому знижений вміст вуглекислого газу – не сучасна особливість нашої планети. Чотири мільярди років тому (вік Землі – близько 4,5 мільярда років) рівень CO2 в атмосфері становив близько 10%, а 2,5 мільярда років тому – 2,5%.
Схематичне порівняння ознак наявності рідкої води та біомаси на планеті (зліва). У центрі: порівняння вмісту вуглекислого газу, азоту і води в атмосфері Венери (рожевий), корі та мантії Землі (жовтий) і атмосфері та океанах Землі (помаранчевий). Порівняння атмосфер Венери, Марса і Землі (праворуч) / © Triaund et al. Nature Astronomy
“Ми припускаємо, що ці планети формувалися схожим чином, і якщо ми бачимо, що сьогодні в однієї з планет значно менше вуглецю, значить, він кудись подівся. Єдиний процес, здатний забрати стільки вуглецю з атмосфери, – це сильний кругообіг води, в якому повинні брати участь цілі океани рідкої води”, – пояснив професор Амаурі Тріауд (Amaury Triaud) з Бірмінгемського університету (Велика Британія), один з авторів роботи.
Тому міжнародна група вчених із Массачусетського технологічного інституту (США), Бірмінгемського університету (Велика Британія) та інших інститутів у Франції та США вивчила потенціал використання нестачі CO2 як сигнатури населеності екзопланети. Результати дослідження опубліковані в журналі Nature Astronomy, і вони виявилися багатообіцяючими.
Головний “вимивач” вуглекислого газу з атмосфери – рідка вода, в якій розчиняється вуглекислий газ. А утворені на його основі карбонати потім виявляються “замкненими” в корі та мантії планети. Тому вуглець не повертається в атмосферу в кількостях, достатніх для атмосфери венеріанського або марсіанського типів.
Ілюстрація стратегії пошуку населених екзопланет за нестачею CO2 та іншими параметрами атмосфер / © Triaund et al. Nature Astronomy
Що стосується життя, два основних біологічних шляхи “поглинання” вуглецю з атмосфери Землі – фотосинтез і виробництво раковин. У кругообігу вуглецю на нашій планеті біологія “бере участь” приблизно на 20%, тому для підтвердження її впливу потрібні інші сигнатури, наприклад, наявність озону.
Спираючись на аналіз, автори вивели стратегію пошуку населених світів. За їхніми розрахунками, знадобляться дані спостережень десяти транзитів, щоб виявити атмосфери в екзопланет у відповідних системах. Сорока транзитів, щоб оцінити нестачу вуглекислого газу у будь-якої з планет. І ста транзитів, щоб оцінити кількість озону, метану і чадного газу. За цими даними можна буде визначити причину нестачі вуглецю – наявність життя, рідкої води або і того, і іншого.
Як стверджують автори роботи, вже сьогодні космічний телескоп “Джеймс Вебб” може почати пошук нестачі вуглекислого газу на планетах земного типу у пізніх червоних карликів.
“Лише TRAPPIST-1 і ще кілька систем підходять для дослідження атмосфер планет земного типу за допомогою “Джеймса Вебба”. І тепер у нас є план пошуку там населених світів. Якщо ми працюватимемо разом, ми зможемо протягом кількох років домогтися проривних відкриттів”, – зазначив один з авторів роботи Джулієн де Віт (Julien de Wit), доцент Массачусетського технологічного інституту (США).