Найден лучший кандидат в обитаемые водные миры

Еще не так давно ученые искали экзопланеты ради простого их обнаружения. Астрономы по-прежнему порой находят необычные объекты вроде системы из шести «резонансных» экзопланет. Но гораздо активнее они теперь ищут экзопланеты, которые мы можем подробнее рассмотреть и изучить существующими инструментами.

Потенциальная обитаемость экзопланеты зависит от многих факторов, но еще больше условий накладывают доступные нам инструменты. Во-первых, система должна располагаться недалеко от нас. Во-вторых, чтобы мы могли рассмотреть атмосферу экзопланеты, она должна летать достаточно близко к звезде. В-третьих, у нее должен быть небольшой орбитальный период, чтобы не приходилось десятилетиями ждать очередного пролета.

При такой близости к звезде экзопланете сложно сохранить обитаемые условия. Как минимум звезда должна быть спокойной и не слишком испепеляющей. Например, это может быть красный карлик (спектральный класс M). Сама планета тоже должна быть небольшой, примерно размером с Землю.

За прошедшие годы удалось выявить примерно полтора десятка планет диаметром менее 1,5 диаметра Земли. Еще есть мини-нептуны, которые могут быть водными мирами, если находятся подальше от звезды. К сожалению, моделирование климата и условий на таких планетах показало, что для запуска неудержимого парникового эффекта (из-за которого планета становится непригодной для жизни) им достаточно всего 0,3 излучения, которое получает Земля от Солнца. Значит, маловероятно, что на теплых мини-нептунах сохраняется жидкая вода.

Астрономам из Лаборатории реактивного движения и Калифорнийского технологического института (США) удалось найти водный мир, по всем параметрам подходящий для дальнейших исследований. Им оказалась планета LHS 1140 b, первое описание которой вышло в 2017 году. Она летает у красного карлика LHS 1140 в 48,8 светового года от нас, который по массе и радиусу в шесть раз меньше Солнца (15%). Дальнейшие исследования показали, что LHS 1140 b может быть обычной землеподобной планетой с N₂-CO₂ атмосферой или водным миром с богатой водородом атмосферой.

Чтобы точнее характеризовать экзопланету, авторы новой работы использовали данные космического телескопа «Джеймс Уэбб». Они ожидали увидеть богатую водородом атмосферу с примесями водного пара и других газов, например метана и углекислого газа. Но именно эти примеси, предсказанные компьютерным моделированием, телескоп не засек. Также с результатами наблюдений не совпали гипотезы о плотных облаках и слое дымки.

Более того, по словам исследователей, любая большая и богатая водородом атмосфера в условиях LHS 1140 b должна сопровождаться большим количеством метана. Раз у планеты нет такой плотной водородной атмосферы, то чрезвычайно низкую плотность этого мира можно объяснить только наличием большого жидкого океана (или отсутствием ядра, но это совсем маловероятно).

В условиях слабого излучения от звезды (42% от земного) и толстого слоя воды (10% массы планеты) мантия у LHS 1140 b должна быть ледяной. При очень больших давлениях водный лед может оставаться твердым даже при высоких температурах (экзотический лед), несмотря на наличие над ним океана жидкой воды. Вероятно, он частично или полностью перемешан с более глубокой каменной мантией.

Вероятно, в процессе формирования планета собрала льды, богатые углеродом и азотом, тогда атмосфера у нее должна состоять преимущественно из углекислого газа ила азота. В ее атмосфере не преобладает водород, а значит, LHS 1140 b не может быть горячей планетой-океаном. Но даже в холодных условиях, если планета поддерживает относительно плотную CO₂/N₂ атмосферу, на ней может сохраняться жидкий океан.

Моделирование показало, что при достаточном количестве наблюдений (как минимум девять пролетов планеты на фоне звезды) ученые смогут подтвердить наличие CO₂-атмосферы. В общем, LHS 1140 b — крайне любопытный потенциально обитаемый водный мир, который можно исследовать уже сегодня с помощью инструментов «Джеймса Уэбба».

Работа выложена в открытый доступ на arXiv и отправлена на рецензирование в журнал The Astrophysical Journal Letters.