Astronomowie odkryli, że dwie egzoplanety mogą składać się głównie z wody

Zespół kierowany przez astronomów z UdeM znalazł dowody na to, że dwie egzoplanety krążące wokół czerwonej gwiazdy karłowatej to „wodne światy”, czyli planety, na których woda stanowi duży ułamek objętości. Światy te, znajdujące się w układzie planetarnym oddalonym o 218 lat świetlnych w gwiazdozbiorze Lutni, są niepodobne do jakichkolwiek planet znajdujących się w naszym Układzie Słonecznym.

Zespół, kierowany przez doktorantkę Caroline Piaulet z Trottier Institute for Research on Exoplanets (iREx) na Université de Montréal, opublikował dziś w czasopiśmie Nature Astronomy szczegółowe badania układu planetarnego znanego jako Kepler-138.

Piaulet, który jest częścią zespołu badawczego Björna Benneke, obserwował egzoplanety Kepler-138c i Kepler-138d za pomocą należącego do NASA teleskopu Hubble’a oraz emerytowanego teleskopu Spitzera i odkrył, że planety – które są około półtora razy większe od Ziemi – mogą składać się w dużej mierze z wody. Planety te oraz planeta towarzysząca bliżej gwiazdy, Kepler-138b, zostały wcześniej odkryte przez należący do NASA Kosmiczny Teleskop Keplera.

Woda nie została bezpośrednio wykryta, ale porównując rozmiary i masy planet z modelami, doszli do wniosku, że znaczna część ich objętości – do połowy – powinna być wykonana z materiałów lżejszych od skał, ale cięższych od wodoru lub helu (które stanowią większość planet gazowych olbrzymów, takich jak Jowisz). Najpopularniejszym z tych kandydujących materiałów jest woda.

„Wcześniej myśleliśmy, że planety, które były nieco większe od Ziemi, były wielkimi kulami metalu i skał, jak przeskalowane wersje Ziemi, i dlatego nazwaliśmy je super-Ziemiami,” wyjaśnił Benneke. „Jednak teraz pokazaliśmy, że te dwie planety, Kepler-138c i d, mają zupełnie inną naturę: duża część ich całej objętości składa się prawdopodobnie z wody. Po raz pierwszy obserwujemy planety, które można pewnie zidentyfikować jako wodne światy, typ planety, której istnienie astronomowie teoretyzowali od dawna.”

Z objętościami ponad trzykrotnie większymi od Ziemi i masami dwukrotnie większymi, planety c i d mają znacznie niższe gęstości niż Ziemia. Jest to zaskakujące, ponieważ większość planet nieco tylko większych od Ziemi, które zostały do tej pory szczegółowo zbadane, wszystkie wydawały się być skalistymi światami, takimi jak nasz. Najbliższym porównaniem do tych dwóch planet, mówią naukowcy, byłyby niektóre z lodowych księżyców w zewnętrznym układzie słonecznym, które również w dużej mierze składają się z wody otaczającej skaliste jądro.

„Wyobraźmy sobie większe wersje Europy lub Enceladusa, bogatych w wodę księżyców krążących wokół Jowisza i Saturna, ale przybliżonych znacznie do ich gwiazdy” – wyjaśnił Piaulet. „Zamiast lodowej powierzchni, Kepler-138 c i d zawierałyby duże otoczki z pary wodnej”.

Naukowcy ostrzegają, że planety mogą nie mieć oceanów takich jak na Ziemi bezpośrednio przy powierzchni planety. „Temperatura w atmosferach Kepler-138c i Kepler-138d jest prawdopodobnie powyżej temperatury wrzenia wody i spodziewamy się na tych planetach grubej, gęstej atmosfery z pary wodnej. Dopiero pod tą parową atmosferą może potencjalnie znajdować się woda w stanie ciekłym pod wysokim ciśnieniem, a nawet woda w innej fazie, która występuje pod wysokim ciśnieniem, zwanej płynem nadkrytycznym – powiedział Piaulet.

Niedawno inny zespół z Uniwersytetu w Montrealu znalazł inną planetę, nazwaną TOI-1452 b, która potencjalnie może być pokryta ciekło-wodnym oceanem, ale do zbadania jej atmosfery i potwierdzenia obecności oceanu potrzebny będzie należący do NASA teleskop James Webba.

Nowa egzoplaneta w układzie

W 2014 roku dane z należącego do NASA Kosmicznego Teleskopu Keplera pozwoliły astronomom ogłosić wykrycie trzech planet krążących wokół Keplera-138, czerwonej gwiazdy karłowatej w gwiazdozbiorze Lutni. Wykrycie to zostało oparte na mierzalnym zaniku światła w świetle gwiazd, gdy planety chwilowo przechodziły w pobliżu ich gwiazdy, czyli na tranzycie.

Benneke i jego koleżanka Diana Dragomir z Uniwersytetu Nowego Meksyku wpadli na pomysł ponownej obserwacji układu planetarnego za pomocą teleskopów kosmicznych Hubble’a i Spitzera w latach 2014-2016, aby uchwycić więcej tranzytów Keplera-138d, trzeciej planety w układzie, w celu zbadania jej atmosfery.

Podczas gdy wcześniejsze obserwacje teleskopu kosmicznego NASA Kepler wykazały jedynie tranzyty trzech małych planet wokół Keplera-138, Piaulet i jej zespół byli zaskoczeni, że obserwacje Hubble’a i Spitzera sugerowały obecność czwartej planety w systemie, Kepler-138e.

Ta nowo odnaleziona planeta jest mała i znajduje się dalej od swojej gwiazdy niż trzy pozostałe, potrzebując 38 dni na pokonanie orbity. Planeta znajduje się w strefie zamieszkiwalnej swojej gwiazdy, umiarkowanym regionie, gdzie planeta otrzymuje odpowiednią ilość ciepła od swojej chłodnej gwiazdy, aby nie być ani zbyt gorącą, ani zbyt zimną, aby umożliwić obecność wody w stanie ciekłym.

Natura tej dodatkowej, nowo odkrytej planety pozostaje jednak otwartym pytaniem, ponieważ nie wydaje się ona tranzytować swojej gwiazdy. Obserwacja tranzytu egzoplanety pozwoliłaby astronomom określić jej rozmiar.

Mając już Keplera-138e na oku, ponownie zmierzono masy znanych wcześniej planet metodą transit timing-variation, która polega na śledzeniu niewielkich zmian w dokładnych momentach tranzytów planet przed ich gwiazdą, spowodowanych przyciąganiem grawitacyjnym innych pobliskich planet.

Naukowcy mieli jeszcze jedną niespodziankę: odkryli, że dwa wodne światy Kepler-138c i d są „bliźniaczymi” planetami, o praktycznie takich samych rozmiarach i masie, podczas gdy wcześniej sądzono, że są drastycznie różne. Z kolei bliższa planeta, Kepler-138b, została potwierdzona jako mała planeta o masie Marsa, jedna z najmniejszych egzoplanet znanych do tej pory.

„Gdy nasze instrumenty i techniki staną się wystarczająco czułe, aby znaleźć i zbadać planety znajdujące się dalej od swoich gwiazd, być może zaczniemy znajdować dużo więcej wodnych światów, takich jak Kepler-138 c i d” – podsumował Benneke.

Źródło: University of Montreal.