Двадцать лет назад, почти в один день, две группы астрономов независимо друг от друга обнаружили первую известную транзитную экзопланету — мир, который, если смотреть с Земли, проходит перед своей звездой, тем самым снижая яркость последней и позволяя себя обнаружить. Спустя два десятилетия транзит стал самым популярным методом поиска, благодаря которому космические телескопы, такие как Кеплер и Транзитный спутник для исследования экзопланет (TESS), открыли тысячи миров за пределами Солнечной системы.

Еще один немаловажный плюс этого метода — он позволяет исследователям не только вычислить размеры и орбиту планеты, но также узнать ее плотность и объемный состав. Короче говоря, транзитные миры оказались ключевыми в активном поиске космических близнецов Земли. Однако еще в 1999 году идея о том, что таким способом можно найти планеты, была настолько фантастической, что для ее подтверждения потребовались усилия двух групп астрономов.

Забавно, но похожий сценарий снова повторяется спустя 20 лет: две научные группы независимо друг от друга объявили об обнаружении воды — основы биологии, какой мы ее знаем — в атмосфере транзитной планеты, получившей название K2-18b. Планета вращается в обитаемой зоне своей звезды, райском месте, в котором звездный свет может достаточно согреть мир, чтобы позволить воде существовать в жидком виде на поверхности.

«Сейчас это единственная планета, которую мы знаем за пределами Солнечной системы, имеющая правильную температуру для поддержания воды в жидкой форме, и у которой есть атмосфера с водяным паром», — говорит Ангелос Циарас, астроном из Университетского колледжа Лондона и ведущий автор одного из исследований, которое было опубликовано сегодня в Nature Astronomy. Циарас и его коллеги использовали сложные компьютерные модели, чтобы выявить признаки водяного пара на K2-18b на основе данных, собранных космическим телескопом Хаббла, что делает планету, по его словам, «лучшим кандидатом на обитаемость» из известных настоящее время.


Транзитный метод обнаружения экзопланет.

Данные с Хаббла не говорят точные цифры объема воды на K2-18b — в верхних слоях атмосферы водяного пара всегда немного, так что на поверхности могут скрываться целые океаны, и мы об этом не узнаем. Циарас и его коллеги предполагают, что водяной пар может составлять от одной сотой процента до половины атмосферы K2-18b. Чтобы точно определить, сколько в ней содержится воды (а также других газов, таких как метан, углекислый газ и аммиак), потребуется больше спектральных широкополосных наблюдений с использованием будущих космических аппаратов, таких как телескоп Джеймса Уэбба или инфракрасный телескоп Европейского космического агентства (ARIEL).

K2-18b приблизительно в два раза больше Земли и почти в девять раз массивнее, вероятно, с твердым ядром из камня или льда, окруженным плотной густой оболочкой из водорода и других газов, куда, по-видимому, входит и водяной пар. Найденный телескопом Кеплер в 2015 году, этот инопланетный мир вращается на 33-дневной орбите вокруг тусклого прохладного красного карлика, расположенного на расстоянии около 110 световых лет от нас в созвездии Льва. Эта звезда сияет более чем в 30 раз тусклее нашего собственного солнца, но поскольку K2-18b вращается очень близко к ней, планета получает всего на 5% больше звездного света, чем наша. И раз это транзитная планета, часть этого звездного света проходит через верхнюю часть ее атмосферы по пути к телескопам, тем самым собирая информацию о смеси газов в воздухе K2-18b.

Восемь раз в период с 2016 по 2017 год команда под руководством Бьёрна Беннеке из Университета Монреаля измеряла временное атмосферное мерцание K2-18b с помощью космических телескопов Хаббла, Кеплера и Спитцера. Данные с Хаббла часто публикуются для общественности, как только они собираются, и в этом случае такая политика позволила Циарасу и его коллегам провести свое исследование. 

Независимые анализы, проведенные как командой Беннеке, так и командой Циараса, предполагают существование статистически значимой доли водяного пара в верхней атмосфере K2-18b, но, кроме того, первая команда однозначно утверждает, что это намек на капельки воды, конденсирующиеся глубже. То есть Беннеке и его коллеги сообщают о наличии облаков и дождя. Их исследование было размещено на arXiv.org и направлено в Астрономический журнал для рецензируемой публикации.


Местонахождение звезды K2-18 на звездной карте.

«Оба исследования показывают, что на этой планете есть атмосфера и вода, что делает результат очень важным», — говорит Беннеке. «Обнаружение водяного пара — это замечательно, но что особенного в K2-18b, так это то, что наши модели предполагают, что некоторые области ее атмосферы имеют достаточную температуру и давление, чтобы эти пары образовывали капли жидкой воды. А они, как и в атмосфере Земли, будут создавать облака и выпадать дождями. Как и на Земле, должно быть взаимодействие между конденсацией и испарением, активный круговорот воды между облаками и газообразной частью атмосферы».

Область атмосферы, в которой могут образовываться облака, рассуждает Беннеке, может быть относительно комфортной, с давлением порядка одной земной атмосферы и температурой, близкой к температуре типичной жилой комнаты. «Во многих отношениях эта планета не похожа на Землю, но в других она очень похожа. Под толстой газовой оболочкой может не быть четкой «поверхности». И даже если она есть, она будет подвергаться очень высокому давлению. Невозможно представить существо вроде человека, существующего там, внизу, но, может быть, какой-то экстремальный микроб мог бы жить в этих водяных облаках».

Жизнь в облаках

Некоторые исследователи называют K2-18b и подобные ей планеты «суперземлями», другие же предпочитают называть их «мининептунами». Но, независимо от номенклатуры, наиболее очевидный факт об этих объектах состоит в том, что ни один из них не вращается вокруг нашего Солнца, несмотря на то, что они являются самым многочисленным типом планет в Млечном Пути. Все, что мы можем на самом деле знать о них, в настоящее время получено в результате изучения тех немногих данных, которые дают нам исследования других планетарных систем. И до сих пор эти исследования показывают, что большинство этих планет, находящихся по размеру между Землей и Нептуном, не очень-то похожи на Землю.

«Мне нравится называть их гибридными планетами, мирами с каменистыми ядрами и толстыми водородными оболочками», — говорит Беннеке. «Это не голая скала с тонкой атмосферой, подобная Земле, но это также и не гигантская планета, такая как Нептун или Юпитер».

Одна из привлекательных сторон изучения таких промежуточных миров, которые сейчас активно открываются космическим телескопом TESS — это возможность раскрыть что-то фундаментальное о том, как появляются планеты всех размеров.

«Мы думаем, что для планет, примерно в 1.8 раз больших Земли, происходит переход от каменистых к газообразным мирам», — говорит Лаура Крейдберг, астроном Центра астрофизики при Гарвардском университете, которая не принимала участия в исследованиях. «K2-18b находится близко к этой границе, поэтому [такие исследования] дают нам первый взгляд на атмосферу этого необычного мира».

Картинки по запросу Mini-Neptune
Строение суперземель и мининептунов.

Николь Льюис, астроном из Корнелльского университета, который не участвовал ни в одной из этих работ, отмечает, что это не первый раз, когда признаки наличия водяного пара, облаков и, возможно, даже дождей были замечены в мирах за пределами Солнечной системы. Но эти более ранние открытия относились к более крупным и горячим кузенам К2-18b, которые практически точно находятся за границей на стороне Нептуна. «K2-18b представляет собой большой шаг на пути к исследованию более холодных и малых планет», — говорит она. «Он может сообщить нам о том, как формируются и развиваются атмосферы у планет в обитаемой зоне вокруг красных карликов или вблизи нее, что будет важно для понимания потенциальной обитаемости небольших планет размером с Землю».

Самое главное, что водяной пар на K2-18b — лучшее доказательство того, что маленькие планеты в обитаемых зонах красных карликов вообще могут иметь атмосферу. В некоторых отношениях крошечные красные карлики могут прыгать выше головы, испуская разрушающее атмосферы количество излучения, которое достигает максимума в начале жизни звезд: именно тогда, когда новорожденные планеты могут быть наиболее уязвимыми. 

Несколько более ранних исследований были обескураживающими: попытки изучения трех небольших планет, находящихся в зоне жизни красного карлика TRAPPIST-1, дали неприятные результаты — из-за серьезной солнечной активности они не могут иметь атмосфер. И более позднее исследование суперземли LHS 3844 b, на треть большей нашей планеты и живущей рядом с красным карликом, показало, что на планете вообще может не быть воздуха.

«Подавляющее большинство обитаемого пространства во Вселенной может быть вокруг красных карликов, потому что это самые распространенные звезды, и у них очень много каменистых планет, расположенных близко к ним», — говорит Николас Коуэн, астроном из Университета Макгилла, который не связан ни с одной из новых работ. «После того, как исследование показало, что LHS 3844 b выглядит как сухой, бесплодный камень, некоторые из нас начали беспокоиться. Возможно, миры вокруг красных карликов являются отвлекающим маневром для астробиологов».

Вот почему K2-18b — это «крупная рыба», говорит Коуэн, несмотря на ее явно неземной и несколько негостеприимный внешний вид. «Это говорит о том, что самые распространенные планеты во Вселенной также могут быть пригодны для жизни, имея атмосферы с водяным паром».

Тем не менее, не все полностью уверены в этом открытии. «Статистическая значимость заявленного обнаружения не является высокой», — говорит Дэвид Шарбонно, астроном из Калифорнийского университета, который открыл первую транзитную экзопланету еще в 1999 году. В отличие от того открытия, которое было основано на двух различных наборах данных, новое открытие, которое было разделено между двумя командами, опирается лишь на один набор данных — от телескопа Хаббла, который никогда не был предназначен для выполнения таких тонких и сложных измерений. «Да, это наводит на некоторые размышления», — говорит Шарбонно. «Но астрономы изучают транзитные планеты в течение 20 лет, поэтому я думаю, что мы давно прошли эпоху «наводящих» исследований».