مطالعهای جدید نشان میدهد که چگونه مواد شیمیایی موجود در جو یک سیاره فراخورشیدی میتواند در برخی موارد، نشان دهد که آیا دمای سطح آن برای وجود آب مایع بیش از حد گرم است یا خیر.
در منظومه شمسی ما، سیارات یا کوچک و سنگی هستند (مانند زمین) یا بزرگ و گازی (مانند نپتون). اما در اطراف سایر ستارگان، ستارهشناسان سیاراتی را یافتهاند که در این بین قرار میگیرند – دنیاهایی کمی بزرگتر از زمین اما کوچکتر از نپتون. این سیارات ممکن است سطوح سنگی یا اقیانوسهای آب مایع داشته باشند، اما به احتمال زیاد با جوی پوشیده شدهاند که چندین برابر ضخیمتر از جو زمین و مات است.
در مطالعه جدید، که در Astrophysical Journal Letters پذیرفته شده است، محققان نشان میدهند که چگونه شیمی این جوها میتواند سرنخهایی را در مورد آنچه در زیر قرار دارد آشکار کند – به طور خاص، کدام سیارات برای پشتیبانی از اقیانوسهای آب مایع خیلی گرم هستند. از آنجایی که آب مایع یک عنصر ضروری برای حیات آنطور که ما میشناسیم است، این تکنیک میتواند به دانشمندان کمک کند تا جستجوی خود را برای سیارات فراخورشیدی بالقوه قابل سکونت، یا سیاراتی فراتر از منظومه شمسی ما، محدود کنند. بیش از ۴۵۰۰ سیاره فراخورشیدی در کهکشان ما تأیید شده است، با بیش از ۷۷۰۰ نامزد که هنوز تأیید نشدهاند، اما دانشمندان تخمین میزنند که صدها میلیارد سیاره فراخورشیدی در کهکشان ما وجود دارد.
برخی از تلسکوپهای فضایی ناسا مجهز به طیفسنجها میتوانند ترکیب شیمیایی جو یک سیاره فراخورشیدی را نشان دهند. یک پروفایل شیمیایی از زمین نمیتواند تصاویری از، مثلاً، گاوها یا انسانها روی سطح سیاره را نشان دهد، اما دیاکسید کربن و متان تولید شده توسط پستانداران و اکسیژن تولید شده توسط درختان را نشان میدهد. هیچ یک از این مواد شیمیایی به تنهایی نشانه حیات نیستند، اما در ترکیب با هم، احتمال سکونت در سیاره ما را نشان میدهند.
مقاله جدید نشان میدهد که کدام مواد شیمیایی ممکن است به اقیانوسهای پنهان در سیارات فراخورشیدی بین ۱.۷ تا ۳.۵ برابر قطر زمین اشاره کنند. از آنجایی که نپتون حدود چهار برابر قطر زمین است، این سیارات گاهی اوقات «زیر-نپتون» نامیده میشوند.
برای کمک به درک تنوع باورنکردنی سیارات فراخورشیدی که در کهکشان ما وجود دارند، دانشمندان گاهی اوقات از اصطلاحاتی مانند "مشتری داغ" و "زیر-نپتون" برای نشان دادن شباهتها و تفاوتهای بین سیارات فراخورشیدی (سیارات فراتر از منظومه شمسی ما) و سیارات درون منظومه شمسی ما استفاده میکنند.
اعتبار: NASA/JPL-Caltech
جو ضخیم در یک سیاره زیر-نپتون گرما را در سطح به دام میاندازد و دما را بالا میبرد. اگر جو به آستانه معینی برسد – معمولاً حدود ۱۴۳۰ درجه فارنهایت (۷۷۰ درجه سانتیگراد) – فرآیندی به نام تعادل ترموشیمیایی را طی میکند که مشخصات شیمیایی آن را تغییر میدهد. پس از وقوع تعادل ترموشیمیایی – و با فرض اینکه جو سیاره بیشتر از هیدروژن تشکیل شده باشد، که برای سیارات فراخورشیدی گازی معمولی است – کربن و نیتروژن عمدتاً به شکل متان و آمونیاک خواهند بود.
این مواد شیمیایی تا حد زیادی در یک جو خنکتر و نازکتر که تعادل ترموشیمیایی در آن رخ نداده است، وجود نخواهند داشت. در این صورت، اشکال غالب کربن و نیتروژن دیاکسید کربن و مولکولهای دو اتم نیتروژن خواهند بود.
بر اساس این مطالعه، یک اقیانوس آب مایع در زیر جو نشانههای دیگری نیز از خود به جای میگذارد، از جمله عدم وجود تقریباً تمام آمونیاک سرگردان، که در اقیانوس حل میشود. گاز آمونیاک بسته به pH اقیانوس (سطح اسیدیته آن) به شدت در آب محلول است. محققان دریافتند که در طیف گستردهای از سطوح pH معقول اقیانوس، زمانی که یک اقیانوس عظیم در زیر آن وجود داشته باشد، جو باید تقریباً عاری از آمونیاک باشد.
علاوه بر این، دیاکسید کربن بیشتری نسبت به مونوکسید کربن در جو وجود خواهد داشت. در مقابل، پس از تعادل ترموشیمیایی، در صورت وجود مقادیر قابل تشخیص از هر کدام، باید مونوکسید کربن بیشتری نسبت به دیاکسید کربن وجود داشته باشد.
رنیو هو، محققی در آزمایشگاه پیشرانه جت ناسا که رهبری این مطالعه را بر عهده داشت، گفت: «اگر نشانههای تعادل ترموشیمیایی را ببینیم، به این نتیجه میرسیم که سیاره برای سکونت خیلی گرم است. برعکس، اگر نشانه ای از تعادل ترموشیمیایی نبینیم و همچنین نشانههایی از گاز حل شده در یک اقیانوس آب مایع ببینیم، اینها را به عنوان نشانه قوی از قابلیت سکونت در نظر میگیریم.»
تلسکوپ فضایی جیمز وب ناسا، که قرار است در ۱۸ دسامبر پرتاب شود، دارای طیفسنجی است که قادر به مطالعه جو سیارات فراخورشیدی است. دانشمندانی مانند هو در تلاش هستند تا پیشبینی کنند که وب چه نوع پروفایلهای شیمیایی را در این جوها خواهد دید و آنها چه چیزی را میتوانند در مورد این دنیاهای دور فاش کنند. این رصدخانه دارای قابلیتهایی برای شناسایی نشانههای تعادل ترموشیمیایی در جو زیر-نپتونها است – به عبارت دیگر، نشانههای یک اقیانوس پنهان – همانطور که در این مقاله مشخص شده است.
همانطور که وب سیارات جدیدی را کشف میکند یا مطالعات عمیقتری را بر روی سیارات شناخته شده انجام میدهد، این اطلاعات میتواند به دانشمندان کمک کند تا تصمیم بگیرند کدام یک از آنها شایسته مشاهدات بیشتر هستند، به خصوص اگر دانشمندان بخواهند سیاراتی را هدف قرار دهند که ممکن است حیات را در خود جای دهند.
هو گفت: «ما شواهد مشاهداتی مستقیمی نداریم که به ما بگوید ویژگیهای فیزیکی رایج برای زیر-نپتونها چیست. بسیاری از آنها ممکن است جو هیدروژنی عظیمی داشته باشند، اما تعداد کمی از آنها همچنان می توانند "سیارات اقیانوسی" باشند. امیدوارم این مقاله انگیزه بیشتری برای مشاهدات بیشتر در آینده نزدیک برای یافتن آن ایجاد کند.»
JPL توسط Caltech در پاسادنا، کالیفرنیا برای ناسا مدیریت می شود.