В атмосфере мини-нептуна K2-18 b обнаружены метан и углекислый газ
Категория: ЭкзопланетыНаблюдения двух транзитов K2-18 b с помощью NIRSpec и NIRISS на борту JWST привели к обнаружению в атмосфере планеты из зоны обитаемости метана и углекислого газа, а также, с низкой достоверностью – диметилсульфида, на Земле являющегося продуктом морского фитопланктона.
Владислава Ананьева
Небольшие экзопланеты, находящиеся в обитаемой зоне своих звезд, привлекают особое внимание научного сообщества. Даже если они не являются полными аналогами Земли, изучение их климата и состава атмосферы позволит точнее очертить границы потенциальной обитаемости. Примером такого «пограничного» типа экзопланет являются мини-нептуны – планеты, аналога которым в Солнечной системе нет. Главным отличием мини-нептунов от планет земного типа является протяженная водородная атмосфера, масса которой может достигать нескольких процентов от полной массы планеты. Могут ли мини-нептуны быть потенциально обитаемыми – предмет оживленной дискуссии.
Наиболее изученным мини-нептуном, находящимся в обитаемой зоне своей звезды, является планета K2-18 b. Она была представлена в 2015 году, с тех пор ее параметры много раз уточнялись. По последним данным, радиус планеты составляет 2.37 ± 0.22 радиуса Земли, масса – 8.9 ± 1.7 масс Земли, что соответствует средней плотности 4.1 +1.7/-1.2 г/куб.см. Орбитальный период K2-18 b равен 32.94 суток, она вращается вокруг красного карлика спектрального класса M2.5 V, ее эффективная температура оценивается в 284 ± 15 К.
В 2019 году Хаббл» получил трансмиссионный спектр планеты, в котором была обнаружена полоса водяного пара. Это привело некоторых авторов к смелой гипотезе, что под водородной атмосферой K2-18 b плещется горячий глобальный океан, в котором возможна примитивная жизнь. Исследователи даже придумали для таких миров специальное название «гикеаны» (hycean planet, от слов «водород» и «океан»). Другие ученые предлагали иную интерпретацию полученного «Хабблом» спектра – полоса вблизи 1.4 мкм вызвана не водяным паром, а метаном (в этом диапазоне полосы водяного пара и метана перекрываются). Чтобы разобраться, чья гипотеза ближе к истине, требовался более мощный инструмент, чем «Хаббл».
11 сентября 2023 года были опубликованы статья и пресс-релиз, в которых говорилось о наблюдениях K2-18 b на JWST. Авторы пронаблюдали два транзита планеты – один с помощью NIRSpec, другой на NIRISS. Наблюдения велись в лучах с длиной волны 2.73-5.17 мкм в первом случае и 0.85-2.85 мкм во втором. В итоге был получен высококачественный трансмиссионный спектр планеты, в котором проявились полосы метана и углекислого газа.
- Трансмиссионный спектр мини-нептуна K2-18 b. Оранжевыми и красными точками с барами ошибок показаны данные, полученные NIRISS и NIRSpec, соответственно. Синяя линия – трансмиссионный спектр, соответствующий наилучшей модели, желтые точки – модельные значения в спектральных интервалах, соответствующих измерениям. Отрезками у оси абсцисс отмечены полосы метана, углекислого газа и диметилсульфида.
Полученный спектр авторы сравнили с предсказаниями модели водородной атмосферы, включающей в виде примесей H2O, CH4, NH3, HCN, CO и CO2. Также авторы добавили в модель несколько сложных веществ, интерпретируемых как возможные биомаркеры – диметилсульфид (CH3)2S (DMS), сероуглерод CS2, хлорметан CH3Cl, OCS и N2O. Метан обнаружен с достоверностью 6 сигма, углекислота – 3 сигма. Остальных включенных в модель простых молекул (водяного пара, аммиака, циановодорода, угарного газа) обнаружено не было. Впрочем, верхний предел на содержание водяного пара довольно мягкий и не исключает его наличия в атмосфере K2-18 b. Объемное содержание метана и углекислоты оценивается в ~1% , водяного пара может быть в 10-30 раз меньше. Таким образом, наблюдения на JWST подтвердили «метановую» интерпретацию данных «Хаббла».
Следует отметить, что полученный трансмиссионный спектр формируется в сравнительно высоких слоях атмосферы с давлением ниже 0.1 бар и температурой ниже 0°С. В более глубоких слоях воды может быть больше, в том числе в сконденсированном виде. Кроме того, фотохимическое разложение метана должно приводить к образованию толинов и формированию плотной дымки, аналогичной дымке в атмосфере Титана. Наличие дымки делает невозможным зондирование силами JWST более глубоких слоев атмосферы K2-18 b. Как ожидается, облака из водяного льда находятся ниже, на уровне ~0.3 бар (с точностью до порядка величины).
Интересно, что авторы обнаружили в спектре и признаки диметилсульфида – вещества, на Земле производимого некоторыми видами морского фитопланктона. Однако спектральные признаки DMS с достоверностью 2.4 сигма выявляются только в одном из вариантов обработки данных и почти не проявляются в других, так что общая достоверность регистрации этого вещества остается низкой.
Планета K2-18 b остается важной целью для JWST, ее будут наблюдать и в лучах с длиной волны 5-10 мкм, где находится сильная полоса диметилсульфида. Это позволит или подтвердить, или опровергнуть наличие данного биомаркера. Пока делать далеко идущие выводы рано.
Источники: https://stsci-opo.org/STScI-01HA2G716KS9YGAGVY1WBVFJ8Y.pdf
https://www.nasa.gov/goddard/2023/webb-discovers-methane-carbon-dioxide-in-atmosphere-of-k2-18b