Прорив у космічній науці: новий метод пошуку води на екзопланетах відкриває шлях до позаземного життя

Науковці з Корнельського університету зробили значний крок уперед у пошуку води за межами нашої Сонячної системи. Вони створюють спектральну бібліотеку базальтових порід, що допоможе визначати склад далеких планет та виявляти потенційні докази наявності води на екзопланетах. Цей прорив у методології космічних досліджень може кардинально змінити наше розуміння позаземних світів і їхньої придатності для життя.

Базальт — сіро-чорна вулканічна порода, поширена в усій Сонячній системі — стала ключем до нового методу дослідження. «Коли мантія Землі плавиться, вона утворює базальти», — пояснює Естебан Газель, професор інженерії в Корнельському університеті. «Коли плавилася мантія Марса, вона також утворювала базальти. Місяць переважно базальтовий. Ми досліджуємо базальтові матеріали тут, на Землі, щоб у майбутньому визначити склад екзопланет за допомогою даних космічного телескопа Джеймса Вебба».

Дослідження, нещодавно опубліковане в журналі Nature Astronomy, проводять Газель та Емілі Ферст, колишня постдокторантка Корнельського університету, а нині доцент коледжу Макалестер у Міннесоті. Розуміння того, як мінерали фіксують процеси формування цих порід та їхні спектроскопічні підписи, є першим кроком у розробці їхньої бібліотеки.

«Ми знаємо, що більшість екзопланет утворюватимуть базальти, оскільки металічність їхніх зірок-господарів призведе до утворення мінералів мантії (залізо-магнієвих силікатів), і коли вони плавляться, фазова рівновага передбачає, що отримані лави будуть базальтовими», — зазначає Газель. «Вони будуть поширені не лише в нашій Сонячній системі, але й по всій галактиці».

Ферст виміряла випромінювальну здатність — міру того, наскільки поверхня випромінює енергію, яку вона поглинає — 15 базальтових зразків для виявлення спектральних підписів, які може зафіксувати інфрачервоний спектрометр космічного телескопа. Після виверження на екзопланеті базальтові розплави охолоджуються і твердіють, утворюючи тверду породу, відому на Землі як лава. Ця порода може взаємодіяти з водою, якщо вона присутня, утворюючи нові гідратовані мінерали, які легко виявити в інфрачервоному спектрі. Такими зміненими мінералами можуть бути амфіболи (гідратовані силікати) або серпентин (інший гідратований силікат, схожий на зміїну шкіру).

Досліджуючи невеликі спектральні відмінності між зразками базальту, вчені теоретично можуть визначити, чи мала екзопланета колись проточну поверхневу воду або воду у своїх надрах. Однак докази наявності води не з'являються миттєво, і потрібна подальша робота, перш ніж цей тип виявлення можна буде застосувати на практиці.

Телескопу Джеймса Вебба, розташованому приблизно в 1,6 мільйона кілометрів від Землі, знадобиться від десятків до сотень годин, щоб зосередитися на одній системі, розташованій на відстані світлових років, а потім ще більше часу для аналізу даних. Дослідницька група, шукаючи кам'янисту екзопланету для моделювання своїх гіпотез і врахування 15 різних спектральних підписів, використовувала дані суперземлі LHS 3844b, яка обертається навколо червоного карлика на відстані трохи більше ніж 48 світлових років.

Ішан Мішра, працюючи в лабораторії Ніколь Льюїс, доцента астрономії, написав комп'ютерний код, що моделює спектральні дані Ферст для симуляції того, як різні поверхні екзопланет можуть виглядати для телескопа Джеймса Вебба. «Інструменти моделювання Ішана спочатку використовувалися для вивчення крижаних супутників у Сонячній системі», — зазначила Льюїс. «Тепер ми нарешті намагаємося перенести те, що ми дізналися про Сонячну систему, на екзопланети».

«Мета полягала не в оцінці конкретно планети LHS 3844b, а в розгляді правдоподібного діапазону базальтових кам'янистих екзопланет, які можуть спостерігатися телескопом Джеймса Вебба та іншими обсерваторіями в найближчі роки», — пояснила Ферст.

Щодо екзопланет, то дослідники зазначають, що вивчення кам'янистих поверхонь здебільшого обмежувалося окремими точками даних — знаходженням доказів лише одного типу хімічних елементів — у науковій літературі. Проте це змінюється, оскільки спостерігачі починають використовувати можливості телескопа Джеймса Вебба для виявлення множинних компонентів.

Намагаючись виділити сигнатури, пов'язані з мінералогією та загальним хімічним складом — наприклад, скільки кремнію, алюмінію та магнію міститься в породі — геологи можуть трохи більше розповісти про умови, за яких формувалася порода. «На Землі, якщо у вас є базальтові породи, що вивергаються з серединно-океанічних хребтів глибоко на дні океану, порівняно з тими, що вивергаються на океанічних островах, як-от Гаваї, — зазначила Ферст, — ви помітите деякі відмінності в загальній хімії. Але навіть породи з подібним загальним хімічним складом можуть містити різні мінерали, тому обидві ці характеристики важливо вивчати».

Цей революційний підхід відкриває новий шлях у пошуку позаземного життя, оскільки вода вважається одним із найважливіших компонентів для розвитку життя, яке ми знаємо. З удосконаленням методології та збільшенням часу спостережень за допомогою телескопа Джеймса Вебба, вчені наближаються до відповіді на одне з найфундаментальніших питань: чи самотні ми у Всесвіті?