На потенциально обитаемой планете впервые обнаружили водяной пар

Астрономы из Университетского колледжа Лондона (Великобритания) использовали космический телескоп «Хаббл», чтобы проанализировать состав атмосферы планеты K2-18b, которая находится в 110 световых годах от нас. Они выяснили, что у этой суперземли в атмосфере есть водяной пар и, скорее всего, небольшие количества гелия и водорода.

Поскольку планета находится в зоне обитаемости, то есть получает от своей звезды примерно столько же энергии, что и Земля, водяной пар в ее газовой оболочке может указывать на ее пригодность для жизни. В то же время ряд факторов серьезно снижает вероятность такого сценария. Ученые отмечают, что запуск космического телескопа «Джеймс Уэбб» уже в ближайшие годы позволит значительно лучше понять, может ли K2-18b быть обитаемой.

K2-18b – одна из двух известных планет звезды K2-18, расположенной в 110 световых годах от Земли. Эту звезду, а также планеты ее системы, обнаружили в 2015 году с помощью космического телескопа «Кеплер» во время второй части своей миссии (откуда и К2 в названии). Как и другие планеты, найденные «Кеплером», K2-18b открыта транзитным методом, по уменьшению яркости ее звезды в тот момент, когда планета проходит между своим светилом и земным телескопом. Естественно, плоскость вращения многих экзопланет не позволяет наблюдать их с Земли транзитно, но если это все же случилось, можно попробовать узнать состав атмосферы подобного объекта.

Чтобы сделать это, нужно выяснить, излучение каких именно длин волн звезды K2-18 сильнее всего падает в момент, когда ее частично заслоняет ее планета K2-18b. Если у планеты совсем нет атмосферы, то при ее транзите свет от всех длин волн будет снижаться в одинаковой мере. А вот при наличии атмосферы картина станет иной: одни молекулы хорошо поглощают в одном диапазоне, другие – в другом. К сожалению, существующие космические телескопы имеют камеры, регистрирующие ИК-излучение только волн определенной длины, поэтому полную картину состава газовой оболочки иной планеты сходу нарисовать сложно.

Авторы новой работы использовали данные камеры WFC3 космического телескопа «Хаббл», регистрирующей инфракрасное излучение с длиной волны 1,0-1,7 микрометра. Такие волны большинство газов поглощают слабо, но водяной пар, водород и гелий именно в этом диапазоне — довольно сильно. Поэтому, если во время транзита K2-18b излучение в узких полосах внутри диапазона 1,0-1,7 микрометра будет падать сильнее, чем в других полосах того же диапазона, можно будет говорить о том, что там есть вода. 

Исследователи объединили данные восьми сеансов наблюдения K2-18b «Хабблом» и с вероятностью выше 0,9973 установили, что в ее атмосфере есть полосы поглощения молекул воды и, вероятно, водорода и гелия. Количество водяного пара в атмосфере этой планеты как минимум 0,01-12,5 % от общей массы газовой оболочки, а в теории может доходить до 50 %. Для сравнения: на Земле содержание водяного пара – 0,25 % массы атмосферы. То есть на K2-18b водяной пар не просто есть (благо, он есть и в атмосфере Марса), но его значение сопоставимо с его показателем на Земле, а, может, даже больше.

Это очень важно, поскольку наличие водяного пара в атмосфере практически обязательное условие обитаемой планеты земного типа. Бесспорно, тело близких к Земле размеров может иметь в газовой оболочке водяной пар и быть при этом необитаемым, но вот быть обитаемым без значительных количеств водяного пара оно, как считается, не может.

Авторы новой работы попробовали выяснить и то, как именно может быть «устроена» атмосфера планеты в целом. Для этого они смоделировали поглощение излучения звезды K2-18 ее планетой при транзите в трех сценариях. В первом из них атмосфера изучаемой суперземли состояла в основном из водяного пара (20-50 %), водорода и гелия. Во втором – в основном из азота, с умеренным количеством водяного пара и легких газов, как на Земле. В третьем – планету покрывал сплошной слой облаков. К сожалению, согласно моделированию, все три случая оказались почти одинаково вероятными (разница выходила за пределы статистической погрешности). Чтобы разобраться в том, какой из них верен, нужны наблюдения более совершенных телескопов: «Хаббл», при всех своих плюсах, телескоп из XX века, и технически его камеры далеко не самые лучшие.

Авторы работы отмечают, что гарантировать обитаемость изученной ими планеты сложно. Сегодня среди астрономов идет острая дискуссия о том, пригодны ли планеты у красных карликов для жизни земного типа. Основной аргумент противников обитаемости таких тел прост: красные карлики дают частые и очень сильные вспышки жесткого ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучений.

Но конкретно в случае суперземли K2-18b опасность жесткого УФ-излучения для местной жизни очень низка. Дело в том, что водяной пар эффективно поглощает ультрафиолет, при этом его молекулы распадаются на водород и кислород. Если в атмосфере K2-18b до сих пор много воды, значит, во-первых, уровень УФ-излучения там далеко не запредельный (иначе все молекулы H20 уже расщепились бы). Во-вторых, на поверхности планеты ультрафиолета вряд ли сильно больше, чем на Земле: и водяной пар, и образующийся при его разрушении УФ-лучами кислород служат довольно неплохой защитой от такого излучения — оно отлично поглощается практически всеми газам, поэтому дойти до поверхности планеты рентгеновское излучение в значительных количествах не может.

Однако есть и более серьезные проблемы, ставящие под сомнение обитаемость K2-18b. Авторы работы отмечают, что ее плотность — примерно 3,3 грамм на кубический сантиметр (у Земли — 5,5 грамм на кубический сантиметр). Чтобы показывать плотность на 40 % меньше земной, далекая суперземля должна либо иметь твердую поверхность, но очень протяженную атмосферу, либо огромный всепланетный океан большой глубины. Это вполне сочетается с большими размерами K2-18b. При диаметре в 2,2 раза больше земного они почти в восемь раз массивнее нашей планеты, а крупные тела проще удерживают оболочку из более легких компонентов, таких как вода или газы.

Между тем, равновесная температура планеты K2-18b — такая, которая рассчитывается без учета согревающего влияния атмосферы – достигает 283 градусов по Кельвину или примерно 10 градусов по Цельсию. Для сравнения равновесная температура Земли — минус 18 градусов по Цельсию. То есть, при прочих равных, средняя температура на K2-18b на 28 градусов выше, чем у нас.

Как известно, атмосфера повышает среднюю температуру на Земле с равновесной в минус 18 до реально наблюдаемой плюс 15 по Цельсию более, чем на 30 градусов (совокупный парниковый эффект). Но, как мы отметили выше, судя по плотности K2-18b там либо намного более мощная атмосфера (в десятки раз больше земной по протяженности), либо вообще всепланетный океан. При мощной атмосфере парниковый эффект может так перегреть всю планету, что она станет подобна Венере, на чьей поверхности температура выше точки плавления свинца. Сомнительно, что жизнь земного типа может существовать в таких условиях.

Всепланетный океан при более тонкой атмосфере – щадящий сценарий, он может означать, что K2-18b не слишком горяча для жизни. Однако надо понимать, что планета-океан, судя по Земле, не лучшее место для жизни. На нашей планете океаны являются биологическими пустынями: в них всего шесть миллиардов тонн биомассы в пересчете на чистый углерод, а на суше ее более 540 миллиардов тонн. Тот же земной опыт показывает: достаточно сложные формы жизни в океане возникают редко. Те же дельфины и киты попали туда после вторичной обратной миграции части млекопитающих с суши. И численность их куда меньше, чем у аналогичных по уровню развития сухопутных существ.

Бедность морей жизнью не случайна, а закономерна. При температурах, позволяющих энергичный фотосинтез, вода может содержать лишь весьма малое количество углекислого газа, настолько малое, что земные водоросли постоянно находятся в условиях серьезного дефицита СО2. Биомасса растений ограничивает кормовую базу водных животных. Сходная картина должна наблюдаться и на других мирах. Поэтому, скорее всего, планеты-океаны, лишенные постоянной суши, в принципе не способны поддерживать биомассу земного уровня.

Авторы работы делают особый акцент на том, что K2-18b — первая экзопланета, похожая на Землю по массе и размерам, лежащая в зоне обитаемости и при этом показавшая наличие водяного пара в атмосфере. Это, отмечают они, делает ее уникальной. 

Однако в ближайшие годы ее статус может стать еще более значимым. В 2021 году в космос будет запущен телескоп «Джеймс Уэбб», работающий в инфракрасном диапазоне, как и использованная в работе камера «Хаббла», но куда более технически продвинутый. Он сможет отследить линии поглощения азота, метана и других газов и соединений.

Свободный кислород трудно долго удерживать в атмосфере, если он не пополняется из биологических источников, и то же самое относится к метану. Поэтому в атмосфере Земли и тот, и другой — биогенные по происхождению. Абиогенный метан и кислород, создаваемые без участия живых существ, у нас тоже есть, но в настолько малых количествах, что их нереально обнаружить из космоса. Если в атмосфере K2-18b будут обнаружены азот и следы кислорода, то это сделает наблюдаемую там картину очень похожей на земную: в нашей атмосфере именно азот и кислород являются основными газами. Пожалуй, в этом случае K2-18b действительно может получить уникальный статус первой обитаемой планеты, открытой за пределами нашей системы.