В нашей солнечной системе планеты либо маленькие и каменистые (как Земля), либо большие и газообразные (как Нептун). Но вокруг других звезд астрономы обнаружили промежуточные планеты — миры немного больше Земли, но меньше Нептуна. У этих планет могут быть скалистые поверхности или океаны с жидкой водой, но, скорее всего, они будут покрыты атмосферой, которая во много раз толще Земли и непрозрачна.
В новом исследовании, опубликованном в Astrophysical Journal Letters, ученые показывают, как химический состав этих атмосфер может дать подсказки о том, что находится под ними, в частности, какие планеты слишком горячие, чтобы поддерживать океаны с жидкой водой. Поскольку жидкая вода является необходимым ингредиентом для жизни, какой мы ее знаем, этот метод может помочь ученым сузить круг поиска потенциально пригодных для жизни экзопланет или планет за пределами нашей Солнечной системы. В нашей галактике подтверждено более 4500 экзопланет, более 7700 кандидатов еще не подтверждены, но, по оценкам ученых, в нашей галактике существуют сотни миллиардов экзопланет.
Некоторые космические телескопы NASA, оснащенные спектрометрами, могут выявить химический состав атмосферы экзопланеты. Химический профиль Земли не сможет показать изображения, скажем, коров или людей на поверхности планеты, но он покажет углекислый газ и метан, производимые млекопитающими, и кислород, производимый деревьями. Ни одно из этих химических веществ само по себе не будет признаком жизни, но в сочетании они укажут на возможность того, что наша планета населена.
В новом документе показано, какие химические вещества могут указывать на скрытые океаны на экзопланетах, диаметр которых от 1,7 до 3,5 раз превышает диаметр Земли. Поскольку диаметр Нептуна примерно в четыре раза больше диаметра Земли, эти планеты иногда называют "суб-Нептунами".
Плотная атмосфера на планете к югу от Нептуна будет удерживать тепло на поверхности и поднимать температуру. Если атмосфера достигает определенного порога — обычно около 770 градусов по Цельсию — она претерпевает процесс, называемый термохимическим равновесием, который изменяет ее химический профиль. После установления термохимического равновесия — и если предположить, что атмосфера планеты состоит в основном из водорода, что типично для газообразных экзопланет, — углерод и азот будут преимущественно в форме метана и аммиака.
Эти химические вещества в значительной степени отсутствовали бы в более прохладной и более разреженной атмосфере, где не было бы термохимического равновесия. В этом случае доминирующими формами углерода и азота будут диоксид углерода и молекулы из двух атомов азота.
Согласно исследованию, океан с жидкой водой под атмосферой оставит дополнительные признаки, в том числе отсутствие почти всего паразитного аммиака, который будет растворен в океане. Газообразный аммиак хорошо растворяется в воде, в зависимости от pH океана (его уровня кислотности). Исследователи обнаружили, что в широком диапазоне вероятных уровней pH океана в атмосфере практически не должно быть аммиака, когда под ней находится огромный океан.
Кроме того, в атмосфере будет больше углекислого газа, чем окиси углерода; напротив, после термохимического равновесия монооксида углерода должно быть больше, чем диоксида углерода, если есть обнаруживаемые количества того и другого.
Космический телескоп NASA James Webb, запуск которого запланирован на 18 декабря , будет оснащен спектрометром, способным изучать атмосферы экзопланет. Ученые работают, чтобы предвидеть, какие химические профили Webb увидит в этих атмосферах и что они могут рассказать об этих далеких мирах. Обсерватория способна выявлять признаки термохимического равновесия в атмосферах под Нептуном — другими словами, признаки скрытого океана.
По мере того как Webb открывает новые планеты или проводит более глубокие исследования известных планет, эта информация может помочь ученым решить, какие из них заслуживают дополнительных наблюдений, особенно если ученые хотят нацеливаться на планеты, на которых может быть жизнь.
