Впервые в истории наблюдений за экзопланетами ученые нашли прямые доказательства наличия воды в атмосфере экзопланеты земного типа — объекте K2-18 b в 111 световых годах от Земли. Раньше о существовании воды в атмосфере экзопланеты земного типа ученые только догадывались через результаты моделирования, а прямое наблюдение позволяло доказать наличие водяного пара только на газовых гигантах — абсолютно непохожих на Землю космических объектах. «Хайтек» рассказывает, почему повторный анализ данных телескопа «Хаббл», полученных еще в 2015 году, позволил найти воду, и что это значит для современной науки.
Экзопланета K2-18 b находится в 111 световых годах от Земли. Планета вращается очень близко от красного карлика K2-18 — звезды в созвездии Льва. Время обращения экзопланеты вокруг своей звезды составляет всего 33 дня. Планета имеет каменистую поверхность и атмосферу, которая обеспечивает защитную изоляцию, аналогичную земной.
Поверхность планеты практически со 100%-й вероятностью состоит из воды с толстым ледяным покровом. Планета находится в так называемой обитаемой зоне — расстоянии от материнской звезды, на котором может существовать жизнь. При этом красный карлик K2-18 входит в тип звезд, известных своими звездными ветрами, поэтому их дочерние экзопланеты считаются неблагоприятными для появления жизни.
Что случилось?
Две независимые группы американских и британских ученых впервые в истории астрономии получили прямые доказательства существования воды в атмосфере экзопланеты земного типа — K2-18 b. В качестве основных данных ученые использовали информацию с широкоугольной камеры WFC3, установленной на орбитальном телескопе «Хаббл». После анализа этих данных они сравнили их с информацией, полученной на инфракрасном телескопе «Спитцер».
Заново изучив все данные о транзите — переходе экзопланеты перед своей звездой, что является основным источником знаний ученых о составе экзопланет — K2-18 b перед ее материнской K2-18, а также проанализировав все спектральные данные с обоих телескопов, ученые пришли к выводу, что в атмосфере экзопланеты присутствует водяной пар. Вероятность ошибки оценивается в 0,01%.
Экзопланета K2-18 b открыта несколько лет назад? Почему только сейчас нашли водяные пары?
Материнская звезда K2-18 — красный карлик, очень тусклый и маленький космический объект. Планета, совершая транзит по диску звезды, занимает достаточно много места, чтобы ученые с Земли могли зафиксировать факт перехода. После этого астрономы собирают информацию о свете звезды, который прошел через атмосферу планеты — и изменил свой спектр, в зависимости от химического состава атмосферы.
Красные карлики довольно сильно отличаются от других звёзд. Масса красных карликов не превышает трети солнечной массы. При этом температура фотосферы красного карлика может достигать около 3 000 °C. Звезды такого типа излучают крайне мало света — в некоторых случаях в 10 тыс. раз меньше солнечного. При этом из-за низкой скорости сгорания водорода красные карлики имеют очень большую продолжительность жизни — от десятков миллиардов до десятков триллионов лет (красный карлик с массой в 0,1 массы Солнца будет гореть 10 триллионов лет).
После того, как в красных карликах постепенно выгорает водород, они превращаются в голубые карлики, а затем — в белые, с гелиевым ядром. При этом со времен Большого взрыва прошло слишком мало времени, чтобы красные карлики начали массово переходить в другой тип звезд.
Короткий период обращения K2-18 b вокруг своей звезды — всего в 33 дня, позволил за последние три года наблюдать восемь отдельных транзитов. Именно их анализ в разных спектрах и различных телескопах, а также их сравнение, позволили найти водяной пар.
Кроме того, K2-18 b открыта телескопом «Кеплер» — самым мощным телескопом в истории науки, направленным на открытие экзопланет. Ученые, получив данные с телескопа, могут годами изучать их. После этого планеты начинают изучать другие телескопы — такие как «Хаббл», со специфическим оборудованием, позволяющим узнать химический состав экзопланет.
Проанализировав таким образом данные о других экзопланетах, смогут ли ученые тоже найти там воду?
Случай K2-18 b — крайне редкий для современной астрономии, поскольку для анализа ее существования сложились несколько удачных факторов: относительная близость к Земле, крайне маленькая орбита и крупный размер планеты.
Чем крупнее планета, тем большую тень она оставляет — поэтому наблюдатели могут отличить изменение блеска звезды от шума. Это позволяет успешно анализировать химический состав гигантских газовых планет, однако они находятся вне обитаемой зоны звезд, поэтому менее интересны науке.
Несмотря на это, ученые собираются проанализировать и другие экзопланеты, сравнив их спектральные данные с информацией, полученных с других телескопов. Кроме того, в начале 2020 года на орбиту должен выйти мощный телескоп «Джеймс Уэбб», который является наследником «Хаббла». В НАСА считают, что благодаря телескопу нового поколения ученые смогут анализировать химический состав практически всех открытых на сегодняшний день экзопланет.
Если на K2-18 b нашли воду, значит там может быть жизнь?
По словам Ангелос Циарас из Лондонского центра данных космической экзохимии (CSED) Университетского колледжа, руководителя одной из исследовательских групп — K2-18 b является единственной на сегодняшний день открытой экзопланетой с приемлемой для существования жизни температурой и водой вне Солнечной системы.
При этом K2-18 b не является точной копией Земли из-за разных типов поверхности — на нашей планете существует суша, тогда как K2-18 b полностью покрыта водой и льдом. Кроме того, K2-18 b в восемь раз массивнее Земли, что делает ее планетой типа суперземля. Подробнее про открытие суперземель и сложности, связанные с этим процессом, «Хайтек» рассказывал в отдельном материале.
Из-за близости планеты к своей материнской звезде — K2-18 b, скорее всего, не вращается вокруг нее. Это значит, что она совершает обороты вокруг звезды, но не делает их вокруг своей оси — как система Земля-Луна, когда мы видим всегда только одну сторону нашего спутника. Несмотря на это, ученые отмечают, что нет оснований полагать, что это может как-то повлиять на наличие — или отсутствие — жизни.
Пока есть только один существенный недостаток найденной планеты — ее близость к красному карлику. Нахождение экзопланеты вокруг планеты такого типа означает, что гипотетическая жизнь могла исчезнуть еще в начале формирования звезды, поскольку в начале своего жизненного цикла красные карлики очень нестабильны.