stringtranslate.com

К2-18б

K2-18b , также известная как EPIC 201912552 b , является экзопланетой , вращающейся вокруг красного карлика K2-18 , расположенного в 124 световых годах (38  пк ) от Земли. Планета является субнептуном примерно в 2,6 раза больше радиуса Земли , с 33-дневной орбитой в пределах обитаемой зоны звезды . Это означает, что она получает примерно такое же количество звездного света, как Земля получает от Солнца. Первоначально обнаруженная с помощью космического телескопа Кеплер , позже она наблюдалась космическим телескопом Джеймса Уэбба (JWST) с целью изучения атмосферы планеты .

В 2019 году было сообщено о наличии водяного пара в атмосфере K2-18b, что привлекло внимание к этой системе. В 2023 году JWST обнаружил углекислый газ и метан в атмосфере K2-18b. Данные JWST по-разному интерпретировались как указывающие на планету с водным океаном и богатой водородом атмосферой, а также на богатый газом мини-Нептун. K2-18b изучался как потенциальный обитаемый мир, который, если не считать температуры, больше похож на газовую планету, такую ​​как Уран или Нептун , чем на Землю.

Ведущая звезда

K2-18 — карлик спектрального класса M3V [4] в созвездии Льва [5] , находящийся на расстоянии 38,025 ± 0,079 парсеков (124,02 ± 0,26  световых лет ) от Солнца . [1] Звезда холоднее и меньше Солнца, имеет температуру 3457 К (3184 °C; 5763 °F) и радиус 45% от солнечного [6] и не видна невооруженным глазом. [7] Возраст звезды составляет 2,4 ± 0,6 миллиарда лет [8], и она проявляет умеренную звездную активность , но неясно , есть ли у нее звездные пятна [9] , которые могли бы создавать ложные сигналы [a], когда их пересекает планета [11] . [11] [9] У K2-18 есть дополнительная планета внутри орбиты K2-18b, K2-18c , [12] которая может взаимодействовать с K2-18b через приливы. [b] [14]

Подсчитано, что до 80% всех звезд- карликов M имеют планеты в своих обитаемых зонах , [6] включая звезды LHS 1140 , Proxima Centauri и TRAPPIST-1 . Малая масса, размер и низкие температуры этих звезд и частые орбиты планет облегчают характеристику планет. С другой стороны, низкая светимость звезд может затруднить спектроскопический анализ планет, [15] [6] и звезды часто активны со вспышками и неоднородными звездными поверхностями ( факелами и звездными пятнами ), которые могут производить ошибочные спектральные сигналы при исследовании планеты. [10]

Физические свойства

K2-18b имеет радиус2,610 ± 0,087  R 🜨 , масса8,63 ± 1,35  M E и совершает оборот вокруг своей звезды за 33 дня. [6] С Земли ее можно увидеть проходящей перед звездой. [16] Планета, скорее всего, приливно заблокирована звездой, хотя, учитывая ее орбитальный эксцентриситет, также возможен спин-орбитальный резонанс, как у Меркурия . [17]

Плотность K2-18b составляет около2.67+0,52
−0,47
 г/см3
промежуточное значение между Землей и Нептуном – что подразумевает, что планета имеет богатую водородом оболочку. [c] [15] Планета может быть либо каменистой с толстой оболочкой, либо иметь состав, подобный составу Нептуна. [d] [19] [20] Планета с чистой водой и тонкой атмосферой менее вероятна. [21] Планеты с радиусом около1,5–2  R 🜨 неожиданно редки относительно ожидаемой частоты их появления, явление, известное как долина радиуса . Предположительно, планеты с промежуточными радиусами не могут удерживать свои атмосферы против тенденции их собственного выхода энергии и звездного излучения, приводящего к атмосферному улетучиванию . [22] Планеты с еще меньшими радиусами известны как Суперземли , а с большими радиусами — как Субнептуны . [23]

Планета могла сформироваться за несколько миллионов лет. [24] [25] Приливное нагревание маловероятно. [12] Внутреннее нагревание может повысить температуру на больших глубинах, но вряд ли существенно повлияет на температуру поверхности. [25] Если океан существует, он, вероятно, находится под слоем льда высокого давления поверх скалистого ядра , [26] что может дестабилизировать климат планеты, препятствуя потокам материалов между ядром и океаном. [27]

Возможный океан

При температурах, превышающих критическую точку , жидкости и газы перестают быть различными фазами , и больше нет разделения между океаном и атмосферой. [28] Неясно, подразумевают ли наблюдения, что на K2-18b существует отдельный жидкий океан, [2] и обнаружить такой океан снаружи сложно; [29] его существование нельзя вывести или исключить исключительно из массы и радиуса планеты. [30]

Существование жидкого водного океана неопределенно. [31] До наблюдений с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба считалось, что более вероятным является сверхкритическое состояние воды. [32] Первоначально считалось, что наблюдения JWST больше соответствуют интерфейсу жидкость-газ и, таким образом, жидкому океану [33] - следовые газы, такие как углеводороды и аммиак, могут быть потеряны из атмосферы в океан, если он существует; их присутствие может, таким образом, подразумевать отсутствие разделения океан-атмосфера. [34] Последующие работы показывают, что магматический океан также может растворять аммиак и объяснять результаты наблюдений, [35] но не объяснять наблюдаемые концентрации оксида углерода. [36] Неизвестно, можно ли объяснить концентрации оксида углерода моделью мини-Нептуна/глубокой водородной атмосферы. [37] [38] В другой статье предполагается, что модель жидкого водного океана требует наличия биосферы для производства достаточного количества метана. [37]

Атмосфера и климат

Наблюдения с помощью космического телескопа Хаббл показали, что атмосфера K2-18b состоит из водорода. [39] Присутствие водяного пара вероятно [40], но с неопределенностью, [41] поскольку наблюдения с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба указывают на концентрацию менее 0,1%; [42] это может быть связано с тем, что JWST видит сухую стратосферу [33], поскольку считается, что атмосфера имеет эффективную холодную ловушку . [38] Концентрация аммиака , по-видимому, неизмеримо низкая. [e] [39] Наблюдения с помощью JWST показывают, что метан и углекислый газ составляют около 1% атмосферы. [45] [46] О других оксидах углерода не сообщалось; [47] был установлен только верхний предел их концентрации (несколько процентов). [ 48] Атмосфера составляет не более 6,2% массы планеты, [19] и ее состав, вероятно, напоминает состав Урана и Нептуна. [49]

Существует мало доказательств наличия дымки в атмосфере, [50] в то время как доказательства наличия водяных облаков , единственного типа облаков, которые, вероятно, образуются на K2-18b, [51] противоречивы. [52] Если они существуют, облака, скорее всего, ледяные, но возможна и жидкая вода. [53] Помимо воды, облака в атмосфере K2-18b могут образовывать хлорид аммония , сульфид натрия , хлорид калия и сульфид цинка , в зависимости от свойств планеты. [54] Большинство компьютерных моделей ожидают, что на большой высоте сформируется температурная инверсия , что приведет к образованию стратосферы . [55]

Эволюция

Ожидается, что высокоэнергетическое излучение звезды, такое как жесткое [f] УФ-излучение и рентгеновские лучи , нагреет верхние слои атмосферы и наполнит их водородом, образовавшимся в результате фотодиссоциации воды, тем самым образуя расширенную богатую водородом экзосферу [58] , которая может вырваться из планеты. [8] Потоки рентгеновского и ультрафиолетового излучения, которые K2-18b получает от K2-18, значительно выше эквивалентных потоков от Солнца; [8] поток жесткого УФ-излучения обеспечивает достаточно энергии, чтобы заставить эту экзосферу вырваться со скоростью около350+400
−290
тонн в секунду, слишком медленно, чтобы удалить атмосферу планеты за время ее жизни. [59] Наблюдения за уменьшением выбросов альфа-излучения Лаймана во время транзитов планеты могут показать наличие такой экзосферы; это открытие требует подтверждения. [60]

Альтернативные сценарии

Обнаружение атмосфер вокруг планет затруднено, и несколько сообщенных результатов являются спорными. [61] Барклай и др. 2021 предположили, что сигнал водяного пара может быть вызван звездной активностью, а не водой в атмосфере K2-18b. [4] Безар и др. 2020 предположили, что метан может быть более значимым компонентом, составляя около 3–10%, в то время как вода может составлять около 5–11% атмосферы, [52] а Безар, Шарне и Блен 2022 предположили, что доказательства наличия воды на самом деле связаны с метаном, [62] хотя такой сценарий менее вероятен. [63]

Модели

Климатические модели использовались для моделирования климата, который мог бы быть на K2-18b, и взаимное сравнение их результатов для K2-18b является частью проекта CAMEMBERT по моделированию климата планет, расположенных ниже Нептуна. [64] Среди усилий по моделированию климата, предпринятых на K2-18b, следующие:

Обитаемость

Входящее звездное излучение составляет1368+114
−107
 Вт / м2
, что аналогично средней инсоляции , получаемой Землей. [6] K2-18b находится в пределах или немного внутри обитаемой зоны своей звезды, [79] - она ​​может быть близка к [80] , но не достигать порогапарникового эффекта [81] - и ее равновесная температура составляет около 250 К (-23 °C; -10 °F) - 300 К (27 °C; 80 °F). [15] Является ли планета действительно обитаемой, зависит от природы оболочки [32] и альбедо облаков; [74] более глубокие слои атмосферы могут быть слишком горячими, [44] в то время как содержащие воду слои могут [27] иметь или не иметь температуры и давления, подходящие для развития жизни. [82]

Микроорганизмы с Земли могут выживать в богатых водородом атмосферах, что показывает, что водород не является препятствием для жизни. Однако ряд биосигнатурных газов, используемых для идентификации присутствия жизни, не являются надежными индикаторами при обнаружении в богатой водородом атмосфере, поэтому для идентификации биологической активности на K2-18b потребуются другие маркеры. [83] По словам Мадхусудхана и др., некоторые из этих маркеров могут быть обнаружены космическим телескопом Джеймса Уэбба после разумного количества наблюдений. [84]

История открытий и исследований

Планета была открыта в 2015 году космическим телескопом Кеплер , [85] [86] [87], и ее существование было позже подтверждено космическим телескопом Спитцер и с помощью методов измерения скорости Доплера . [58] Анализ транзитов исключил, что они были вызваны невидимыми звездами-компаньонами , [87] несколькими планетами или систематическими ошибками наблюдений. [88] Ранние оценки радиуса звезды имели существенные ошибки, что привело к неверным оценкам радиуса планеты и завышению ее плотности. [89] Открытие спектроскопической сигнатуры водяного пара на K2-18b в 2019 году стало первым открытием водяного пара на экзопланете, которая не является горячим юпитером [8] , и вызвало много дискуссий. [29]

K2-18b использовался в качестве тестового примера для изучения экзопланет . [51] Свойства K2-18b привели к определению « гисейной планеты », типа планеты, которая имеет как обильную жидкую воду, так и водородную оболочку. Планеты с таким составом ранее считались слишком горячими, чтобы быть пригодными для жизни; открытия на K2-18b вместо этого предполагают, что они могут быть достаточно холодными, чтобы содержать океаны жидкой воды, благоприятные для жизни. Сильный парниковый эффект водородной оболочки может позволить им оставаться пригодными для жизни даже при низких скоростях инстеллирования. [90] K2-18b, вероятно, является самой известной «гисейной» планетой. [91] Возможны и другие, негисейные составы, как обитаемые, так и непригодные для жизни. [92] [74]

Спектры космического телескопа Джеймса Уэбба K2-18b от 2023 года. Автор: NASA, CSA, ESA, J. Olmstead, N. Madhusudhan

Имеются некоторые доказательства присутствия диметилсульфида (ДМС) и метилхлорида в атмосфере. Присутствие ДМС является потенциальной биосигнатурой, поскольку основная часть ДМС в атмосфере Земли выделяется фитопланктоном в морской среде, [93] хотя необходимы дальнейшие наблюдения для подтверждения присутствия ДМС и исключения геологического или химического происхождения соединения. [94] [95] Некоторые ученые выразили обеспокоенность по поводу статистической значимости сигнала ДМС на K2-18b и того, как его предполагаемое обнаружение может быть понято в среде, отличной от Земли. [96] В 2024 году Воган и др. предположили, что высокие концентрации метана могут либо подразумевать присутствие метаногенной жизни [97], либо восходящее смешивание газов из глубоких недр, если планета слишком горячая для жизни. [98]

Подкаст на сайте Планетарного общества в январе 2024 года включал описание астрофизиком НАСА Книколе Колон некоторых научных результатов наблюдений K2-18b с помощью JWST. Ожидалось, что данные с инструмента MIRI JWST будут собраны в январе 2024 года, о чем Колон сказал: «MIRI сможет увидеть дополнительные особенности, особенности поглощения от этих молекул и снова подтвердить наличие того, что мы видели, и даже обилие». Колон также говорит об отсутствии доказательств наличия воды в атмосфере: «Тот факт, что данные JWST в основном не обнаружили убедительных доказательств наличия воды в атмосфере, может указывать на несколько вещей». [99]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Наблюдения за транзитными планетами основаны на сравнении внешнего вида планеты с внешним видом поверхности звезды, которая не покрыта планетой, поэтому изменения внешнего вида звезды можно спутать с эффектами планеты. [10]
  2. ^ Приливные взаимодействия — это взаимные взаимодействия, опосредованные гравитацией , между астрономическими телами, которые находятся в движении относительно друг друга. [13]
  3. ^ Оболочка — это атмосфера , которая возникла вместе с самой планетой из протопланетного диска . У газовых гигантов атмосфера составляет большую часть массы планеты. [18]
  4. ^ Состав, подобный составу Нептуна, подразумевает, что помимо воды и камней планета содержит значительное количество водорода и гелия . [19]
  5. ^ Недостаток аммиака и метана в атмосферах экзопланет, подобных Нептуну, известен как «проблема отсутствующего метана» и является неразрешенной загадкой по состоянию на 2021 год . [43] Необычно низкие концентрации аммиака и метана могут быть вызваны жизнью, фотохимическими процессами [32] или замерзанием метана. [44]
  6. ^ Жесткое УФ-излучение означает УФ-излучение с короткими длинами волн; [56] более короткие длины волн подразумевают более высокую частоту и более высокую энергию на фотон . [57]

Ссылки

  1. ^ аб Беннеке и др. 2019, с. 4.
  2. ^ ab Blain, Charnay & Bézard 2021, стр. 2021. 2.
  3. ^ Мартин, Пьер-Ив (2024). "Планета K2-18 b". exoplanet.eu . Получено 5 октября 2024 г. .
  4. ^ ab Barclay et al. 2021, стр. 12.
  5. ^ Адамс и Энгель 2021, стр. 163.
  6. ^ abcde Benneke et al. 2019, с. 1.
  7. ^ Mendex 2016, стр. 5-18.
  8. ^ abcd Guinan & Engle 2019, стр. 189.
  9. ^ аб Беннеке и др. 2019, с. 5.
  10. ^ ab Barclay et al. 2021, стр. 2.
  11. ^ ab Barclay et al. 2021, стр. 10.
  12. ^ ab Blain, Charnay & Bézard 2021, стр. 2021. 15.
  13. ^ Спон 2015, стр. 2499.
  14. ^ Феррас-Мелло и Гомес 2020, с. 9.
  15. ^ abc Мадхусудхан и др. 2020, с. 1.
  16. ^ Мадхусудхан, Пиетт и Константину, 2021, с. 13.
  17. ^ Чарнай и др. 2021, стр. 3.
  18. ^ Рэймонд 2011, стр. 120.
  19. ^ abc Мадхусудхан и др. 2020, с. 4.
  20. ^ Ригби и др. 2024, стр. 7.
  21. ^ Мадхусудхан и др. 2020, с. 5.
  22. ^ Беннеке и др. 2019, стр. 2.
  23. ^ Иннес и Пьерреумбер 2022, стр. 1.
  24. ^ Блен, Шарне и Безар, 2021, стр. 5.
  25. ^ аб Никсон и Мадхусудхан 2021, с. 3420.
  26. ^ Никсон и Мадхусудхан 2021, стр. 3425–3426.
  27. ^ аб Никсон и Мадхусудхан 2021, стр. 3429.
  28. ^ Пьерреумбер 2023, стр. 2.
  29. ^ ab May & Rauscher 2020, стр. 9.
  30. ^ Чангет и др. 2022, стр. 399.
  31. ^ Пьерреумбер 2023, стр. 6.
  32. ^ abc Мадхусудхан и др. 2020, с. 6.
  33. ^ Аб Мадхусудхан и др. 2023, с. 7.
  34. ^ Ю и др. 2021, стр. 10.
  35. ^ Шорттл и др. 2024, стр. Л8.
  36. ^ Ригби и др. 2024, стр. 14.
  37. ^ аб Воган и др. 2024, стр. Л7.
  38. ^ ab Rigby et al. 2024, стр. 12.
  39. ^ Аб Мадхусудхан и др. 2020, с. 2.
  40. ^ Цай и др. 2024, стр. 1.
  41. ^ Мадхусудхан и др. 2023, с. 2.
  42. ^ Мадхусудхан и др. 2023, с. 6.
  43. ^ Мадхусудхан и др. 2021.
  44. ^ аб Шойхер и др. 2020, с. 16.
  45. ^ Ригби и др. 2024, стр. 10.
  46. ^ Мадхусудхан и др. 2023, с. 9.
  47. ^ Безар, Шарне и Блен, 2022, стр. 537.
  48. ^ Кубильос и Блечич 2021, с. 2696.
  49. ^ Блен, Шарне и Безар, 2021, стр. 18.
  50. ^ Мадхусудхан и др. 2020, с. 3.
  51. ^ abc Hu 2021, стр. 5.
  52. ^ ab Blain, Charnay & Bézard 2021, стр. 2021. 1.
  53. ^ Чарнай и др. 2021, стр. 2.
  54. ^ Блен, Шарне и Безар, 2021, стр. 9.
  55. ^ Ху 2021, стр. 20.
  56. ^ Барк и др. 2000, стр. 859.
  57. ^ Кинтанилья 2015, стр. 2651.
  58. ^ Аб Сантос и др. 2020, с. 1.
  59. ^ Сантос и др. 2020, стр. 4.
  60. ^ Сантос и др. 2020, стр. 3.
  61. ^ Чангет и др. 2022, стр. 392.
  62. ^ Безар, Шарне и Блен, 2022, стр. 538.
  63. ^ Чангет и др. 2022, стр. 393.
  64. ^ Кристи и др. 2022, стр. 6.
  65. ^ Чарнай и др. 2021, стр. 4.
  66. ^ Чарней и др. 2021, стр. 4–7.
  67. ^ Чарнай и др. 2021, стр. 8.
  68. ^ Чарнай и др. 2021, стр. 12.
  69. ^ Иннес и Пьерреумбер 2022, стр. 5.
  70. ^ Иннес и Пьерреумбер 2022, стр. 20.
  71. ^ Ху 2021, стр. 9.
  72. ^ Ху 2021, стр. 16.
  73. ^ Ху 2021, стр. 12.
  74. ^ abc Tsai et al. 2024, стр. 2.
  75. ^ Цай и др. 2024, стр. 5.
  76. ^ Цай и др. 2024, стр. 3.
  77. ^ Цай и др. 2024, стр. 7.
  78. ^ Цай и др. 2024, стр. 6.
  79. ^ Чарнай и др. 2021, стр. 1.
  80. ^ Пьерреумбер 2023, стр. 1.
  81. ^ Пьерреумбер 2023, стр. 7.
  82. ^ Воган и др. 2024, стр. 2.
  83. ^ Мадхусудхан, Пиетт и Константину, 2021, с. 2.
  84. ^ Мадхусудхан, Пиетт и Константину, 2021, с. 17.
  85. ^ Форман-Макки и др. 2015, стр. 10.
  86. ^ Монте и др. 2015, стр. 5.
  87. ^ аб Беннеке и др. 2017, с. 1.
  88. ^ Беннеке и др. 2017, стр. 8.
  89. ^ Беннеке и др. 2019, стр. 3.
  90. ^ Джеймс 2021, стр. 7.
  91. ^ Воган и др. 2024, стр. 1.
  92. ^ Мадхусудхан и др. 2023, с. 1.
  93. ^ Мадхусудхан и др. 2023, с. 11.
  94. ^ Уоттис 2023.
  95. ^ Берджесс 2023.
  96. ^ Райт 2023.
  97. ^ Воган и др. 2024, стр. 4.
  98. ^ Воган и др. 2024, стр. 5.
  99. ^ Колон, Беттс и Аль-Ахмед 2024.

Источники

Внешние ссылки