James Webb και η πιθανότητα κατοικήσιμου εξωπλανήτη, η περίπτωση Κ2-18 b

Μια νέα έρευνα με το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb Space Telescope (JWST) της NASA στον K2-18b, έναν εξωπλανήτη με 8,6 φορές μεγαλύτερη μάζα από της Γης, αποκάλυψε την παρουσία μορίων που περιέχουν άνθρακα, συμπεριλαμβανομένου του μεθανίου και του διοξειδίου του άνθρακα. Η ανακάλυψη του JWST έρχεται να προστεθεί σε πρόσφατες μελέτες που υποδηλώνουν ότι ο K2-18b θα μπορούσε να είναι ένας εξωπλανήτης, ο οποίος έχει τη δυνατότητα να έχει μια ατμόσφαιρα πλούσια σε υδρογόνο και μια επιφάνεια καλυμμένη με νερό. Αυτού του είδους οι εξωπλανήτες ονομάζονται Hycean (Hydrogen Ocean).

Η πρώτη εικόνα για τις ατμοσφαιρικές ιδιότητες αυτού του πολλά υποσχόμενου εξωπλανήτη προήλθε από παρατηρήσεις με το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble της NASA, το οποίο οδήγησε σε περαιτέρω μελέτες που από τότε άλλαξαν την κατανόησή μας για το συγκεκριμένο πλανητικό σύστημα.

Το K2-18b περιφέρεται γύρω από το κρύο νάνο αστέρα K2-18 στον αστερισμό του Λέοντα και απέχει 120 έτη φωτός από τη Γη, ενώ βρίσκεται εντός της κατοικήσιμης ζώνης του. Εξωπλανήτες όπως ο K2-18b, που έχουν μεγέθη μεταξύ αυτών της Γης και του Ποσειδώνα – γνωστοί και ως ύπο-Ποσειδώνες -, δε μοιάζουν με τους γνωστούς μας έως τώρα πλανήτες. Αυτή η έλλειψη παρόμοιων κοντινών πλανητών σημαίνει ότι αυτοί οι υπο-Ποσειδώνες είναι ελάχιστα κατανοητοί και η φύση της ατμόσφαιράς τους αποτελεί θέμα διαρκούς  συζήτησης μεταξύ των αστρονόμων.

Η πρόταση ότι ο υπο-Ποσειδώνας K2-18b θα μπορούσε να είναι ένας Hycean εξωπλανήτης είναι ενδιαφέρουσα, καθώς ορισμένοι αστρονόμοι πιστεύουν ότι αυτοί οι κόσμοι αποτελούν  πολλά υποσχόμενα περιβάλλοντα για την αναζήτηση στοιχείων για ζωή σε εξωπλανήτες.

«Τα ευρήματά μας υπογραμμίζουν τη σημασία της εξέτασης διαφορετικών κατοικήσιμων περιβαλλόντων στην αναζήτηση ζωής πέρα από την Γη», εξήγησε ο Nikku Madhusudhan, αστρονόμος στο Πανεπιστήμιο του Cambridge και επικεφαλής συγγραφέας της εργασίας που ανακοινώνει αυτά τα αποτελέσματα. «Παραδοσιακά, η αναζήτηση ζωής σε εξωπλανήτες έχει επικεντρωθεί κυρίως σε μικρότερους βραχώδεις πλανήτες, αλλά οι μεγαλύτεροι Hycean κόσμοι είναι σημαντικά πιο ευνοϊκοί για ατμοσφαιρικές παρατηρήσεις».

Η αφθονία μεθανίου και διοξειδίου του άνθρακα, και η έλλειψη αμμωνίας υποστηρίζουν την υπόθεση ότι μπορεί να υπάρχει ένας ωκεανός νερού κάτω από μια ατμόσφαιρα πλούσια σε υδρογόνο στο K2-18b. Αυτές οι αρχικές παρατηρήσεις του Webb παρείχαν επίσης μια πιθανή ανίχνευση ενός μορίου που ονομάζεται διμεθυλοσουλφίδιο (dimethyl sulfide – DMS). Στη Γη, αυτό παράγεται μόνο από την ύπαρξη ζωής. Το μεγαλύτερο μέρος του DMS στην ατμόσφαιρα της Γης εκπέμπεται από το φυτοπλαγκτόν σε θαλάσσια περιβάλλοντα.

Το συμπέρασμα του DMS είναι λιγότερο ισχυρό και απαιτεί περαιτέρω επικύρωση. «Οι επερχόμενες παρατηρήσεις του Webb θα πρέπει να είναι σε θέση να επιβεβαιώσουν εάν το DMS είναι πράγματι παρόν στην ατμόσφαιρα του K2-18b σε σημαντικά επίπεδα», εξήγησε ο Madhusudhan.

Ενώ το K2-18b βρίσκεται στην κατοικήσιμη ζώνη και είναι πλέον γνωστό ότι φιλοξενεί μόρια που φέρουν άνθρακα, αυτό δε σημαίνει απαραίτητα ότι ο πλανήτης μπορεί να υποστηρίξει ζωή. Το μεγάλο μέγεθος του πλανήτη – με ακτίνα 2,6 φορές την ακτίνα της Γης – σημαίνει ότι το εσωτερικό πιθανότατα περιέχει ένα μεγάλο μανδύα πάγου υψηλής πίεσης, όπως ο Ποσειδώνας, αλλά με μια πιο λεπτή ατμόσφαιρα πλούσια σε υδρογόνο και μια επιφάνεια ωκεανού. Ωστόσο, είναι επίσης πιθανό ο ωκεανός να είναι πολύ ζεστός για να είναι κατοικήσιμος ή να είναι υγρός.

«Αν και αυτό το είδος πλανήτη δεν υπάρχει στο ηλιακό μας σύστημα, οι υπο-Ποσειδώνες είναι ο πιο κοινός τύπος πλανήτη στο Γαλαξία σύμφωνα με τις υπάρχουσες μελέτες», εξήγησε το μέλος της ομάδας Subhajit Sarkar του Πανεπιστημίου του Κάρντιφ. «Έχουμε αποκτήσει το πιο λεπτομερές φάσμα μιας κατοικήσιμης ζώνης υπο-Ποσειδώνα μέχρι σήμερα, και αυτό μας επέτρεψε να υπολογίσουμε τα μόρια που υπάρχουν στην ατμόσφαιρά του».

Ο χαρακτηρισμός της ατμόσφαιρας των εξωπλανητών όπως ο K2-18b – δηλαδή ο προσδιορισμός των αερίων και των φυσικών συνθηκών τους – είναι ένας πολύ ενεργός κλάδος στην αστρονομία. Ωστόσο, αυτοί οι πλανήτες υπερκαλύπτονται – κυριολεκτικά – από τη λάμψη των πολύ μεγαλύτερων μητρικών αστεριών τους, γεγονός που καθιστά την εξερεύνηση ατμοσφαιρών εξωπλανητών μια δύσκολη πρόκληση.

Η ομάδα παρέκαμψε αυτήν την πρόκληση αναλύοντας το φως από το μητρικό αστέρι του K2-18b καθώς περνούσε από την ατμόσφαιρα του εξωπλανήτη. Ο K2-18b, όπως και όλοι οι εξωπλανήτες, περιφέρονται γύρω από το μητρικό αστέρι, που σημαίνει ότι μπορούμε να ανιχνεύσουμε μια πτώση της φωτεινότητας καθώς περνά από την όψη του αστέρα-ξενιστή του. Έτσι ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά ο εξωπλανήτης το 2015 με την αποστολή K2 της NASA. Αυτό σημαίνει ότι κατά τη διάρκεια των διελεύσεων, ένα μικρό κλάσμα αστρικού φωτός θα περάσει από την ατμόσφαιρα του εξωπλανήτη πριν φτάσει σε τηλεσκόπια όπως το Webb. Το πέρασμα του αστρικού φωτός μέσα από την ατμόσφαιρα του εξωπλανήτη αφήνει ίχνη που οι αστρονόμοι μπορούν να συνδυάσουν για να προσδιορίσουν τα αέρια της ατμόσφαιρας του εξωπλανήτη.

“Αυτό το αποτέλεσμα ήταν δυνατό μόνο λόγω του εκτεταμένου εύρους μήκους κύματος και της άνευ προηγουμένου ευαισθησίας του Webb, που επέτρεψε την ισχυρή ανίχνευση φασματικών χαρακτηριστικών με δύο μόνο διελεύσεις”, δήλωσε ο Madhusudhan. «Για σύγκριση, μια παρατήρηση διέλευσης με τον Webb παρείχε συγκρίσιμη ακρίβεια με οκτώ παρατηρήσεις του Hubble που διεξήχθησαν σε λίγα χρόνια και σε ένα σχετικά στενό εύρος μήκους κύματος».

“Αυτά τα αποτελέσματα είναι προϊόν μόνο δύο παρατηρήσεων του K2-18b, με πολλές ακόμη να έχουν προγραμματιστεί”, εξήγησε ο Σάββας Κωνσταντίνου από το Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ. “Αυτό σημαίνει ότι η δουλειά μας εδώ δεν είναι παρά μια πρώιμη επίδειξη του τι μπορεί ο Webb να παρατηρήσει σε εξωπλανήτες εντός της κατοικήσιμης ζώνης».

Η ομάδα σκοπεύει τώρα να διεξαγάγει έρευνα παρακολούθησης με τον φασματογράφο MIRI (Mid-Infrared Instrument – Μέσο-Υπέρυθρο Όργανο) του τηλεσκοπίου που ελπίζει ότι θα επικυρώσει περαιτέρω τα ευρήματά τους και θα παράσχει νέες πληροφορίες για τις περιβαλλοντικές συνθήκες στο K2-18b.

«Ο απώτερος στόχος μας είναι ο εντοπισμός της ζωής σε έναν κατοικήσιμο εξωπλανήτη, ο οποίος θα μεταμορφώσει την κατανόησή μας για τη θέση μας στο Σύμπαν», κατέληξε ο Madhusudhan. “Τα ευρήματά μας είναι ένα πολλά υποσχόμενο βήμα προς μια βαθύτερη κατανόηση των Hycean κόσμων”.

Πηγή

Webb Discovers Methane, Carbon Dioxide in Atmosphere of K2-18 b – NASA