Hvordan finder man skjulte oceaner i fjerne verdener? Brug kemi

En ny undersøgelse viser, hvordan kemikalierne i en exoplanets atmosfære i nogle tilfælde kan afsløre, om temperaturen på overfladen er for varm til flydende vand.

I vores solsystem er planeter enten små og stenede (som Jorden) eller store og gasformige (som Neptun). Men omkring andre stjerner har astronomer fundet planeter, der falder imellem - verdener lidt større end Jorden, men mindre end Neptun. Disse planeter kan have stenede overflader eller flydende vandhave, men de fleste vil sandsynligvis være toppet med atmosfærer, der er mange gange tykkere end Jordens og uigennemsigtige.

I den nye undersøgelse, accepteret i Astrophysical Journal Letters , viser forskere, hvordan kemien i disse atmosfærer kunne afsløre spor om, hvad der ligger under - specifikt hvilke planeter, der er for varme til at understøtte oceaner med flydende vand. Da flydende vand er en nødvendig ingrediens for liv, som vi kender det, kan denne teknik hjælpe videnskabsmænd med at indsnævre deres søgen efter potentielt beboelige exoplaneter eller planeter uden for vores solsystem. Mere end 4.500 exoplaneter er blevet bekræftet i vores galakse, med over 7.700 kandidater, der endnu ikke er bekræftet, men videnskabsmænd anslår, at der findes hundredvis af milliarder af exoplaneter i vores galakse.

Nogle NASA-rumteleskoper udstyret med spektrometre kan afsløre den kemiske sammensætning af en exoplanets atmosfære. En kemisk profil af Jorden ville ikke være i stand til at afsløre billeder af for eksempel køer eller mennesker på planetens overflade, men den ville vise kuldioxid og metan produceret af pattedyr og ilt produceret af træer. Ingen af ​​disse kemikalier alene ville være et tegn på liv, men i kombination ville de pege på muligheden for, at vores planet er beboet.

Det nye papir viser, hvilke kemikalier der kan pege på skjulte oceaner på exoplaneter mellem 1,7 og 3,5 gange Jordens diameter. Da Neptun er omkring fire gange Jordens diameter, kaldes disse planeter nogle gange "under-Neptuner."

En tyk atmosfære på en planet under Neptun ville fange varme på overfladen og hæve temperaturen. Hvis atmosfæren når en vis tærskel - typisk omkring 1.430 grader Fahrenheit (770 grader Celsius) - vil den gennemgå en proces kaldet termokemisk ligevægt, der ændrer dens kemiske profil. Efter termokemisk ligevægt er opstået – og forudsat at planetens atmosfære hovedsageligt består af brint, hvilket er typisk for gasformige exoplaneter – vil kulstof og nitrogen overvejende være i form af metan og ammoniak.

Disse kemikalier ville stort set mangle i en køligere, tyndere atmosfære, hvor termokemisk ligevægt ikke har fundet sted. I så fald ville de dominerende former for kulstof og nitrogen være kuldioxid og molekyler af to nitrogenatomer.

Et flydende vandhav under atmosfæren ville efterlade yderligere tegn ifølge undersøgelsen, herunder fraværet af næsten al omstrejfende ammoniak, som ville blive opløst i havet. Ammoniakgas er meget opløselig i vand, afhængigt af havets pH (dets surhedsgrad). Over en lang række plausible hav-pH-niveauer fandt forskerne ud af, at atmosfæren burde være praktisk talt fri for ammoniak, når der er et massivt hav nedenunder.

Derudover ville der være mere kuldioxid end kulilte i atmosfæren; derimod bør der efter termokemisk ligevægt være mere kulilte end kuldioxid, hvis der er påviselige mængder af enten.

"Hvis vi ser signaturerne af termokemisk ligevægt, vil vi konkludere, at planeten er for varm til at være beboelig," sagde Renyu Hu, en forsker ved NASAs Jet Propulsion Laboratory, som ledede undersøgelsen. "Omvendt, hvis vi ikke ser signaturen af ​​termokemisk ligevægt og også ser signaturer af gas opløst i et flydende vandhav, ville vi tage dem som en stærk indikation af beboelighed."

NASAs James Webb-rumteleskop, der skal opsendes den 18. december, vil bære et spektrometer, der er i stand til at studere exoplanetatmosfærer. Forskere som Hu arbejder på at forudse, hvilke slags kemiske profiler Webb vil se i disse atmosfærer, og hvad de kan afsløre om disse fjerne verdener. Observatoriet har evnerne til at identificere tegn på termokemisk ligevægt i sub-Neptun atmosfærer – med andre ord tegn på et skjult hav – som identificeret i papiret.

Efterhånden som Webb opdager nye planeter eller laver mere dybdegående undersøgelser af kendte planeter, kan denne information hjælpe videnskabsmænd med at beslutte, hvilke af dem der er værdige til yderligere observationer, især hvis videnskabsmænd ønsker at målrette mod planeter, der kan rumme liv.

"Vi har ikke direkte observationsbeviser til at fortælle os, hvad de fælles fysiske karakteristika for sub-Neptunes er," sagde Hu. "Mange af dem kan have massive brintatmosfærer, men en hel del kan stadig være "havplaneter." Jeg håber, at dette papir vil motivere mange flere observationer i den nærmeste fremtid for at finde ud af det."