stringtranslate.com

К2-18б

K2-18b , также известная как EPIC 201912552 b , — экзопланета , вращающаяся вокруг красного карлика K2-18 , расположенного на расстоянии 124 световых лет (38  пк ) от Земли. Планета, первоначально обнаруженная с помощью космического телескопа «Кеплер» , примерно в восемь раз превышает массу Земли и поэтому классифицируется как Мини-Нептун . Он имеет 33-дневную орбиту в пределах обитаемой зоны звезды , а это означает, что он получает примерно такое же количество звездного света, как Земля получает от Солнца, и может иметь аналогичные условия, которые допускают существование жидкой воды.

В 2019 году сообщалось о наличии водяного пара в атмосфере К2-18b, что привлекло внимание к этой системе. В 2023 году космический телескоп Джеймса Уэбба обнаружил углекислый газ и метан в атмосфере экзопланеты K2-18b. Данные Уэбба предполагают, что планета может быть покрыта океаном с богатой водородом атмосферой. K2-18b изучался как потенциально обитаемый мир, который, если не считать температуры, больше напоминает газовую планету, такую ​​​​как Уран или Нептун, чем Землю.

Принимающая звезда

К2-18 — М-карлик спектрального класса M3V [3] в созвездии Льва , [4] на расстоянии 38,025 ± 0,079 парсека (124,02 ± 0,26  св. лет ) от Солнца . [1] Звезда холоднее и меньше Солнца, имеет температуру 3457 К (3184 °C; 5763 °F) и радиус 45% от Солнца, [5] и не видна невооруженным глазом. [6] Звезда демонстрирует умеренную звездную активность , но неясно, есть ли у нее звездные пятна , [7] которые имеют тенденцию создавать ложные сигналы, [a] когда планета пересекает их, [9] . [9] [7] У K2-18 есть дополнительная планета внутри орбиты K2-18b, K2-18c , [10] которая может взаимодействовать с K2-18b посредством приливов и отливов. [б] [12]

Подсчитано, что до 80% всех звезд -карликов M имеют планеты в своих обитаемых зонах , [5] включая звезды LHS 1140 , Проксиму Центавра и TRAPPIST-1 . Небольшая масса, размер и низкие температуры этих звезд, а также частые обращения планет облегчают характеристику планет. С другой стороны, низкая светимость звезд может затруднить спектроскопический анализ планет, [13] [5] и звезды часто активны со вспышками и неоднородными звездными поверхностями ( факелами и звездными пятнами ), которые могут давать ошибочные спектральные сигналы при исследование планеты. [8]

Физические свойства

К2-18б имеет массу8,63 ± 1,35  М Е . Он вращается вокруг своей звезды за 33 дня. [5] С Земли можно увидеть, как он проходит перед звездой. [14] Планета, скорее всего, приливно привязана к звезде, хотя возможен также спин-орбитальный резонанс, подобный Меркурию . [15]

Плотность К2-18б составляет около2,67+0,52
−0,47
 г/см 3
– промежуточное положение между Землей и Нептуном – подразумевая, что планета имеет оболочку, богатую водородом . [c] [13] Планета может быть либо каменистой с толстой оболочкой, либо иметь состав, подобный Нептуну. [d] [17] Планета с чистой водой и тонкой атмосферой менее вероятна. [18] Планеты радиусом около1,5–2  R 🜨 неожиданно редки по сравнению с ожидаемой частотой появления - явление, известное как долина радиуса . Предположительно, планеты с промежуточными радиусами не могут удерживать свою атмосферу, несмотря на то, что их собственная энергия и звездное излучение вызывают утечку атмосферы . [19] Планеты с еще меньшими радиусами известны как Суперземли , а с большими радиусами — как СубНептуны . [20]

ЗвездаВозраст планеты составляет 2400 ± 600 миллионов лет [21] , а на формирование планеты могло уйти несколько миллионов лет. [22] [23] Приливный нагрев маловероятен. [10] Внутренний нагрев может повысить температуру на больших глубинах, но вряд ли существенно повлияет на температуру поверхности. [23] Если океан существует, то, вероятно, под ним находится слой льда под высоким давлением поверх скалистого ядра , [24] который может дестабилизировать климат планеты, предотвращая потоки материала между ядром и океаном. [25]

Возможный океан

При температурах, превышающих критическую точку , жидкости и газы перестают быть разными фазами , и между океаном и атмосферой больше не существует разделения . [26] Неясно, подразумевают ли наблюдения, что на K2-18b существует отдельный жидкий океан, [2] и обнаружить такой океан снаружи сложно; [27] его существование не может быть выведено или исключено исключительно на основании массы и радиуса планеты. [28]

Существование жидкого океана сомнительно; [29] первоначальные оценки считали сверхкритическое состояние воды более вероятным [30] , но наблюдения JWST более согласуются с границей раздела жидкость-газ и, следовательно, с жидким океаном. [31] Следовые газы, такие как углеводороды и аммиак, могут быть потеряны из атмосферы в океан, если он существует; таким образом, их присутствие может означать отсутствие разделения океана и атмосферы. [32]

Атмосфера и климат

Наблюдения с помощью космического телескопа «Хаббл» показали, что K2-18b имеет атмосферу , состоящую из водорода. [33] Неизвестно, есть ли водяной пар , [34] наблюдения космического телескопа Джеймса Уэбба показывают концентрацию менее 0,1%; [35] это может быть связано с тем, что JWST увидел сухую стратосферу . [31] Концентрация аммиака оказывается неизмеримо низкой. [e] [33] Наблюдения JWST показывают, что метан и углекислый газ составляют около 1% атмосферы. [38] О других оксидах углерода не сообщалось, [39] был установлен только верхний предел их концентрации (несколько процентов). [40] Атмосфера составляет не более 6,2% массы планеты [17] и ее состав, вероятно, напоминает состав Урана и Нептуна. [41]

Существует мало свидетельств дымки в атмосфере, [42] в то время как данные о водяных облаках , единственном типе облаков, которые могут образоваться на K2-18b, [43] противоречивы. [44] Если они существуют, то облака, скорее всего, ледяные, но возможна жидкая вода. [45] Помимо воды, облака в атмосфере K2-18b могли образовывать хлорид аммония , сульфид натрия , хлорид калия и сульфид цинка , в зависимости от свойств планеты. [46] Большинство компьютерных моделей ожидают, что температурная инверсия сформируется на большой высоте, образуя стратосферу . [47]

Эволюция

Ожидается, что высокоэнергетическое излучение звезды, такое как жесткое [f] УФ-излучение и рентгеновские лучи , нагреет верхние слои атмосферы и наполнит ее водородом, образующимся в результате фотодиссоциации воды, образуя таким образом протяженную, богатую водородом экзосферу [50]. ] который может сбежать с планеты. [21] Потоки рентгеновского и УФ-излучения, которые K2-18b получает от K2-18, значительно превышают эквивалентные потоки от Солнца; [21] поток жесткого УФ-излучения обеспечивает достаточно энергии, чтобы заставить эту экзосферу покинуть ее со скоростью около350+400
−290
тонн в секунду, слишком медленно, чтобы уничтожить атмосферу планеты за время ее существования. [51] Наблюдения за уменьшением выбросов альфа-излучения Лаймана во время транзитов планеты могут указывать на наличие такой экзосферы; это открытие требует подтверждения. [52]

Альтернативные сценарии

Обнаружение атмосфер вокруг планет затруднено, и некоторые полученные результаты противоречивы. [53] Барклай и др. 2021 предположил, что сигнал водяного пара может быть вызван активностью звезд, а не водой в атмосфере K2-18b. [3] Безар и др. В 2020 г. было высказано предположение, что метан может быть более значимым компонентом, составляя около 3–10%, в то время как вода может составлять около 5–11% атмосферы, [44] а Безар, Шарне и Блен в 2022 г. предположили, что наличие воды на самом деле связано с наличием воды. в метан [54] , хотя такой сценарий менее вероятен. [55] Другая возможность состоит в том, что K2-18 b представляет собой лавовый мир с водородной атмосферой. [56]

Модели

Климатические модели использовались для моделирования климата, который мог бы иметь K2-18b, и взаимное сравнение их результатов для K2-18b является частью проекта CAMEMBERT по моделированию климата планет субнептуна. [57] Среди усилий по моделированию климата, предпринятых на K2-18b, можно назвать:

Обитаемость

Приходящее звездное излучение составляет1368+114
−107
 Вт / м 2
, что соответствует средней инсоляции, которую получает Земля. [5] K2-18b расположена внутри или немного внутри обитаемой зоны своей звезды, [67] – она может быть близка к [68] , но не достигает порога неконтролируемого парникового эффекта [ 69] – и ее равновесная температура составляет около От 250 К (-23 ° C; -10 ° F) до 300 К (27 ° C; 80 ° F). [13] Пригодна ли планета на самом деле для жизни, зависит от природы оболочки; [30] более глубокие слои атмосферы могут быть слишком горячими, [37] в то время как водосодержащие слои могут иметь температуру и давление, подходящие для развития жизни. [25]

Микроорганизмы с Земли могут выживать в богатой водородом атмосфере, что доказывает, что водород не является препятствием для жизни. Однако ряд биосигнатурных газов, используемых для определения присутствия жизни, не являются надежными индикаторами при обнаружении в богатой водородом атмосфере, поэтому для определения биологической активности K2-18b потребуются другие маркеры. [70] Согласно Мадхусудхану и др., некоторые из этих маркеров могут быть обнаружены космическим телескопом Джеймса Уэбба после достаточного количества наблюдений. [71]

История открытий и исследований

Планета была обнаружена в 2015 году космическим телескопом «Кеплер» [72] , а ее существование позже было подтверждено с помощью космического телескопа «Спитцер» и с помощью доплеровских скоростных методов . [50] Анализ транзитов исключил, что они были вызваны невидимыми звездами-компаньонами , [72] множеством планет или систематическими ошибками наблюдений. [73] Ранние оценки радиуса звезды имели существенные ошибки, что привело к неправильным оценкам радиуса планеты и завышению плотности планеты. [74] Открытие спектроскопической сигнатуры водяного пара на K2-18b в 2019 году стало первым открытием водяного пара на экзопланете, не являющейся Горячим Юпитером [21] , и вызвало много дискуссий. [27]

K2-18b использовался в качестве испытательного образца для изучения экзопланет . [43] Свойства K2-18b привели к определению « гицевой планеты », типа планеты, которая имеет как обильную жидкую воду, так и водородную оболочку. Раньше считалось, что планеты с таким составом слишком горячие, чтобы быть пригодными для жизни; Вместо этого результаты на K2-18b предполагают, что они могут быть достаточно холодными, чтобы содержать океаны с жидкой водой, благоприятные для жизни. Сильный парниковый эффект водородной оболочки может позволить им оставаться пригодными для жизни даже при низких темпах образования. [75] Возможны и другие, негицевые композиции, как обитаемые, так и нежилые. [76]

Спектры K2-18 b JWST за 2023 год. Фото: НАСА, CSA, ESA, Дж. Олмстед, Н. Мадхусудхан.

Есть некоторые свидетельства присутствия в атмосфере диметилсульфида (ДМС) и метилхлорида . Присутствие ДМС является потенциальной биосигнатурой, поскольку основная часть ДМС в атмосфере Земли выделяется из фитопланктона в морской среде [77] , хотя дальнейшие наблюдения для подтверждения присутствия ДМС и исключения геологического или химического происхождения соединения невозможны. необходимый. [78] [79] Некоторые ученые выразили обеспокоенность по поводу статистической значимости сигнала DMS на K2-18b и того, как его предполагаемое обнаружение можно понять в среде, отличной от Земли. [80]

В подкасте на веб-сайте Планетарного общества в январе 2024 года астрофизик НАСА Книколь Колон описала некоторые научные результаты наблюдений K2-18 b с помощью JWST. Ожидается, что данные с инструмента MIRI JWST будут собраны в январе 2024 года, о чем Колон сказал: «MIRI сможет увидеть дополнительные особенности, особенности поглощения этих молекул и снова подтвердить наличие того, что мы видели, и даже численность ." Колон также говорит об отсутствии доказательств наличия воды в атмосфере: «Тот факт, что данные JWST по сути не обнаружили убедительных доказательств наличия воды в атмосфере, может указывать на пару вещей». [81]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Наблюдения за транзитными планетами основаны на сравнении внешнего вида планеты с внешним видом поверхности звезды, не покрытой планетой, поэтому изменения внешнего вида звезды можно спутать с влиянием планеты. [8]
  2. ^ Приливные взаимодействия — это взаимные взаимодействия, опосредованные гравитацией , между астрономическими телами, которые движутся относительно друг друга. [11]
  3. ^ Оболочка — атмосфера , возникшая вместе с самой планетой из протопланетного диска . В газовых гигантах атмосфера составляет основную часть массы планеты. [16]
  4. ^ Состав, подобный Нептуну, подразумевает, что помимо воды и горных пород планета содержит значительное количество водорода и гелия . [17]
  5. ^ Нехватка аммиака и метана в атмосферах экзопланет, подобных Нептуну, известна как «проблема пропавшего метана» и по состоянию на 2021 год является неразрешенной загадкой . [36] Необычно низкие концентрации аммиака и метана могут быть связаны с жизнью, фотохимическими процессами [30] или вымерзанием метана. [37]
  6. ^ Жесткое УФ-излучение означает УФ-излучение с короткими длинами волн; [48] ​​более короткие волны подразумевают более высокую частоту и более высокую энергию на фотон . [49]

Рекомендации

  1. ^ аб Беннеке и др. 2019, с. 4.
  2. ^ ab Blain, Charnay & Bézard 2021, стр. 2021. 2.
  3. ^ аб Барклай и др. 2021, с. 12.
  4. ^ Адамс и Энгель 2021, с. 163.
  5. ^ abcde Benneke et al. 2019, с. 1.
  6. ^ Мендекс 2016, с. 5-18.
  7. ^ аб Беннеке и др. 2019, с. 5.
  8. ^ аб Барклай и др. 2021, с. 2.
  9. ^ аб Барклай и др. 2021, с. 10.
  10. ^ ab Blain, Charnay & Bézard 2021, стр. 2021. 15.
  11. ^ Спон 2015, с. 2499.
  12. ^ Феррас-Мелло и Гомес 2020, с. 9.
  13. ^ abc Мадхусудхан и др. 2020, с. 1.
  14. ^ Мадхусудхан, Пиетт и Константину, 2021, с. 13.
  15. ^ Чарней и др. 2021, с. 3.
  16. ^ Раймонд 2011, с. 120.
  17. ^ abc Мадхусудхан и др. 2020, с. 4.
  18. ^ Мадхусудхан и др. 2020, с. 5.
  19. ^ Беннеке и др. 2019, с. 2.
  20. ^ Иннес и Пьерембер 2022, с. 1.
  21. ^ abcd Guinan & Engle 2019, с. 189.
  22. ^ Блен, Шарне и Безар, 2021, стр. 5.
  23. ^ аб Никсон и Мадхусудхан 2021, стр. 3420.
  24. ^ Никсон и Мадхусудхан 2021, стр. 3425–3426.
  25. ^ аб Никсон и Мадхусудхан 2021, стр. 3429.
  26. ^ Пьерумбер 2023, с. 2.
  27. ^ ab May & Rauscher 2020, стр. 9.
  28. ^ Чангат и др. 2022, с. 399.
  29. ^ Пьерумбер 2023, с. 6.
  30. ^ abc Мадхусудхан и др. 2020, с. 6.
  31. ^ Аб Мадхусудхан и др. 2023, с. 7.
  32. ^ Ю и др. 2021, с. 10.
  33. ^ Аб Мадхусудхан и др. 2020, с. 2.
  34. ^ Мадхусудхан и др. 2023, с. 2.
  35. ^ Мадхусудхан и др. 2023, с. 6.
  36. ^ Мадхусудхан и др. 2021.
  37. ^ аб Шойхер и др. 2020, с. 16.
  38. ^ Мадхусудхан и др. 2023, с. 9.
  39. ^ Безар, Шарне и Блен, 2022, стр. 537.
  40. ^ Кубильос и Блечич 2021, с. 2696.
  41. ^ Блен, Шарне и Безар, 2021, стр. 18.
  42. ^ Мадхусудхан и др. 2020, с. 3.
  43. ^ abc Ху 2021, с. 5.
  44. ^ ab Blain, Charnay & Bézard 2021, стр. 2021. 1.
  45. ^ Чарней и др. 2021, с. 2.
  46. ^ Блен, Шарне и Безар, 2021, стр. 9.
  47. ^ Ху 2021, с. 20.
  48. ^ Барк и др. 2000, с. 859.
  49. ^ Кинтанилья 2015, с. 2651.
  50. ^ Аб Сантос и др. 2020, с. 1.
  51. ^ Сантос и др. 2020, с. 4.
  52. ^ Сантос и др. 2020, с. 3.
  53. ^ Чангат и др. 2022, с. 392.
  54. ^ Безар, Шарне и Блен, 2022, стр. 538.
  55. ^ Чангат и др. 2022, с. 393.
  56. ^ Шорттл и др. 2024, стр. Л8.
  57. ^ Кристи и др. 2022, с. 6.
  58. ^ Чарней и др. 2021, с. 4.
  59. ^ Чарней и др. 2021, стр. 4–7.
  60. ^ Чарней и др. 2021, с. 8.
  61. ^ Чарней и др. 2021, с. 12.
  62. ^ Иннес и Пьерембер 2022, с. 5.
  63. ^ Иннес и Пьерембер 2022, с. 20.
  64. ^ Ху 2021, с. 9.
  65. ^ Ху 2021, с. 16.
  66. ^ Ху 2021, с. 12.
  67. ^ Чарней и др. 2021, с. 1.
  68. ^ Пьерумбер 2023, с. 1.
  69. ^ Пьерумбер 2023, с. 7.
  70. ^ Мадхусудхан, Пиетт и Константину, 2021, с. 2.
  71. ^ Мадхусудхан, Пиетт и Константину, 2021, с. 17.
  72. ^ аб Беннеке и др. 2017, с. 1.
  73. ^ Беннеке и др. 2017, с. 8.
  74. ^ Беннеке и др. 2019, с. 3.
  75. ^ Джеймс 2021, с. 7.
  76. ^ Мадхусудхан и др. 2023, с. 1.
  77. ^ Мадхусудхан и др. 2023, с. 11.
  78. ^ Уоттис 2023.
  79. ^ Берджесс 2023.
  80. ^ Райт 2023.
  81. ^ Колон, Беттс и Аль-Ахмед 2024.

Источники

Внешние ссылки