A mini-Neptunuszról kiderült, hogy egy fagyott szuperföld
A potenciális szuperföldek a Földnél nagyobb tömegű exobolygók. Ezek egyike tőlünk mindössze 49 fényévnyire, a Cetus csillagképben található csillag körül kering. Kutatók arra jutottak, hogy talán ez lehet a Földhöz leginkább hasonló. Legalább is azok közül, amelyeket eddig felfedeztek.
Amikor a NASA James Webb űrteleszkópja 2023 vége felé felfedezte az LHS 1140b nevű exobolygót, azt feltételezték róla, hogy mini-Neptunusz. Az akkori megfigyelésekből származó adatok elemzése után a Charles Cadieux (az Université de Montréal csillagásza) által vezetett kutatócsoport viszont úgy vélte, hogy az LHS 1140b inkább egy szuperföld lehet.
Egy bolygónak nagyon sok próbát kell teljesítenie ahhoz, hogy jó kilátásai legyenek az észlelhető élet befogadására. Az LHS 1140b úgy kapta meg a címet, hogy kezdetben megfelelt néhány követelménynek. A további megfigyelések most megerősítettek néhány új szempontot. Az LHS 1140b sugara körülbelül 70 százalékkal nagyobb, mint a Földé. Ez közel áll ahhoz a ponthoz, ahol lehet egy szuperföld, amely kőzet, jég és víz keverékéből áll, vagy egy kisebb gázóriás.
Sűrűsége azonban nem sokkal alacsonyabb a Földénél, és a JWST tavaly decemberi megfigyelései nyomát sem mutatják a gázbolygótól elvárható hidrogénben gazdag légkörnek. Az alacsonyabb sűrűség legvalószínűbb magyarázata, hogy tömegének 10-20 százaléka víz, a többi kőzet és fém. A víz valószínűleg folyadék és jég keveréke. Bár az arány ismeretlen, ez egy jó kiindulópont az élet kereséséhez.
A hűvös vöröstörpe csillaghoz való viszonylagos közelsége arra utal, hogy nagyrészt fagyos égitestről van szó, egy folyékony óceánnal a központjában, amelyet szilárd jéghéj vesz körül – ez az oka, hogy úgy néz ki, mint egy kozmikus szemgolyó. A szakemberek szerint ha az exobolygó felszínén folyékony víz van, akkor akár az élet is kialakulhatott rajta.
Cadieux és csapata a The Astrophysical Journal Letters című folyóiratban nemrég megjelent tanulmányukban azt állították, hogy „[nitrogén]-dominált légkörre utaló bizonyítékot találtak a lakható zónában talált szuperföldön”.
Bocsi, Neptunusz…
2023 decemberében az LHS 1140b két tranzitját figyelték meg a Webb fedélzetén lévő NIRISS (Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph) műszerrel. A NIRISS az exobolygók felderítésére és a róluk szóló további információk feltárására specializálódott a tranzit-spektroszkópia segítségével, amely egy keringő bolygó gazdatestének fényét veszi fel, amint az áthalad a bolygó légkörén és a Föld felé halad. A fény különböző spektrális sávjainak elemzése aztán elárulja a tudósoknak, hogy milyen atomok és molekulák vannak a bolygó légkörében.
A korábbi hipotézis tesztelésére, miszerint az LHS 1140b egy mini-Neptunusz, a kutatók egy 3D-s globális éghajlati modellt (GCM) hoztak létre. Ez összetett matematikát alkalmazott a bolygó éghajlati rendszerét alkotó tényezők különböző kombinációinak – mint például a szárazföld, az óceánok, a jég és a légkör – vizsgálatára. A mini-Neptunusz több különböző GCM-jét összehasonlították a tranzit spektroszkópiával megfigyelt fényspektrummal.
A JWST/NIRISS közeli infravörös kamerája és rés nélküli spektrográfja segítségével a tudósok elemezni tudták a bolygó légkörét, amikor az elhaladt a csillaga előtt. A kutatók nitrogén jelenlétét észlelték, amely a Föld légkörének is az egyik alapvető összetevője. További vizsgálatok megállapították azt is, hogy az LHS 1140b nem elég sűrű ahhoz, hogy kőzetbolygó legyen, és nem illeszkedik a mini-Neptunusz kategóriába sem. Innen jött a következtetés, hogy a bolygót jég borítja, amely alatt folyékony víz rejtőzhet. Mivel a mini-Neptunusz lehetőségét szinte teljesen kizárták (bár ennek megerősítéséhez további megfigyelésekre és elemzésekre lesz szükség), Cadieux csapata egy másik lehetőség felé fordult, ami nem más, mint a szuperföld.
Egy újabb Föld távol a mi Földünktől?
A NIRISS-szel megfigyelt színképek jobban megfeleltek a GCM-ek által a szuperföldről készített képeknek. Az ilyen típusú bolygóknak jellemzően sűrű, nitrogénben vagy szén-dioxidban gazdag légköre van, ez egy sziklás felszínt ölel körül, amelyen víz található (fagyott, vagy folyékony formában).
A modellek másodlagos légkört is feltételeztek, amely azután keletkezett, hogy a bolygó kialakulásának korai szakaszában a könnyű elemekből (hidrogén és hélium) álló eredeti légkör eltűnt. A másodlagos légkör a kéregből kiszabaduló nehezebb elemekből, például vízgőzből, szén-dioxidból és metánból alakul ki. Általában meleg, földi bolygókon találhatók (a Földnek van másodlagos légköre).
A legjelentősebb Webb/NIRISS adat, amely nem egyezett a GCM-ekkel, az volt, hogy a bolygó sűrűsége (a méret és a tömeg mérései alapján) alacsonyabb, mint ami egy kőzetbolygó esetében várható. Ez összhangban van egy olyan vízi világgal, amelynek tömege körülbelül 10-20 százalékban vízből áll. E becslés alapján a kutatók úgy vélik, hogy az LHS 1140b akár egy óceánbolygó is lehet – egy olyan óceánbolygó, amely a szuperföldek legtöbb tulajdonságával rendelkezik, de légkörében a nitrogén helyett a hidrogén dominál.
Mivel elég közel kering egy halvány csillag körül ahhoz, hogy az árapály-csapdájába kerüljön, egyes modellek szerint egy többnyire jeges bolygóról van szó, amelynek nappali oldalán egy szubsztelláris folyékony óceán található.
Az LHS 1140b esetében a Hyceáni típusú bolygó hipotézis végül kizárható, ezek ugyanis hajlamosak az elszabaduló üvegházhatásra. Ez egy olyan folyamat, amely akkor következik be, amikor a bolygó gazdacsillagától származó energia áthalad a légkörén, és felmelegíti a bolygó felszínét, de a légkör megakadályozza, hogy a hő közvetlenül visszatérjen az űrbe, ami melegebb bolygót eredményez. A folyékony víz tehát végül elpárolog egy olyan bolygón, amely nem tudja lehűteni magát.
Bár az LHS 1140b összetételében és hőmérsékletében legalábbis megközelítőleg hasonlít a Földre, egy tekintetben nagyon különbözik. Szinte biztos, hogy árapályosan záródik, egyik oldala mindig az LHS 1140 vörös törpecsillag felé néz, a másik pedig kifelé, a végtelen éjszaka felé. Ha fényesebb lenne a csillaga, akkor a bolygó egyik oldala túlságosan felforrósodhat ahhoz, hogy belakható legyen, a másik pedig tartósan befagy, ami egy keskeny gyűrűt hagy maga után, ahol a folyékony víz túlélhet.
Bár egyre közelebb kerülünk ahhoz, hogy pontosabb ismereteket nyerjünk az LHS 1140b bolygóról, további megfigyelésekre van szükség ahhoz, hogy megtudjuk, tényleg lakható-e. Cadieux ezt a kutatást úgy szeretné folytatni, hogy a NIRISS adatait összehasonlítja a Webb közeli infravörös spektrográfjával, a NIRSpec műszerrel korábban gyűjtött, más szuperföldekről szóló adatokkal. A bolygónak a Webb MIRI, azaz közép-infravörös műszerével végzett legalább három tranzitmegfigyelésére is szükség van, hogy megbizonyosodjanak arról, hogy a csillagok sugárzása nem zavarja a bolygó megfigyeléseit.
„Tekintettel az LHS 1140b korlátozott láthatóságára, több éves megfigyelésekre lehet szükség a potenciális másodlagos légkörének észleléséhez” – írják a kutatók ugyanebben a tanulmányban.
Néhány évig tehát még feszülten kell várnunk a válaszra: tényleg egy fagyott exo-föld lenne ez a bolygó?