Телескоп Джеймса Уэбба обнаружил необычную форму воды на далёкой экзопланете

Космический телескоп «Джеймс Уэбб» обнаружил потенциально важную подсказку о происхождении воды на далёкой экзопланете WASP-39b. Астрономы проанализировали её атмосферу и выявили признаки полутяжёлой воды — разновидности молекулы H₂O, которая может помочь понять, как сформировалась планета и в каких условиях она получила воду.

«Джеймс Уэбб» благодаря высокой чувствительности в инфракрасном диапазоне позволяет исследовать атмосферы экзопланет и постепенно приближает астрономов к возможности искать химические признаки потенциальной обитаемости далёких миров. Одним из наиболее интересных объектов для таких исследований является вода, которая, насколько известно современной науке, необходима для возникновения и существования земной жизни.

Исследователи изучили экзопланету WASP-39b, расположенную примерно в 700 световых годах от Земли. Они попытались определить соотношение дейтерия и водорода в воде её атмосферы, поскольку это соотношение может содержать информацию о происхождении планеты и материалах, из которых она сформировалась.

Полутяжёлая вода, или HDO, отличается от обычной воды H₂O тем, что один из двух атомов водорода в её молекуле заменён дейтерием. Дейтерий является более тяжёлым изотопом водорода, поскольку в его атомном ядре, помимо протона, присутствует нейтрон, тогда как обычный водород содержит только один протон.

Именно соотношение дейтерия и водорода, обозначаемое как D/H, стало главным объектом нового исследования. Учёные считают, что этот показатель способен рассказать о химической среде, в которой сформировалась планета, а также о дальнейшей истории её атмосферы.

WASP-39b была выбрана для исследования не случайно. Эта экзопланета относится к числу наиболее подробно изученных миров за пределами Солнечной системы и считается своеобразным эталонным объектом для исследования атмосфер.

«Джеймс Уэбб» уже наблюдал WASP-39b в инфракрасном диапазоне с помощью всех четырёх основных научных инструментов телескопа. Благодаря этому астрономы получили чрезвычайно подробный спектр прохождения света через атмосферу экзопланеты, позволяющий определять присутствующие в ней химические соединения.

Для нового анализа исследователи сопоставили заранее рассчитанные модели атмосферы с реальными данными «Джеймса Уэбба». В моделях учитывались температура атмосферы, облачность, содержание различных молекул и степень поглощения излучения.

Полученные результаты показали, что предполагаемое соотношение дейтерия и водорода в атмосфере WASP-39b значительно выше, чем у газовых гигантов Солнечной системы. Именно они считаются наиболее близкими аналогами WASP-39b, с которыми можно сравнивать химический состав её атмосферы.

Одним из возможных объяснений такого повышенного содержания дейтерия является постепенная потеря атмосферой более лёгкой воды. WASP-39b представляет собой горячую, малоплотную и относительно массивную по объёму экзопланету с низкой гравитацией, расположенную очень близко к своей звезде.

Из-за интенсивного нагрева её атмосфера может активно теряться в космическое пространство. При этом молекулы, содержащие более тяжёлый дейтерий, обладают несколько большей массой и поэтому могут покидать атмосферу менее эффективно, чем обычные молекулы воды.

В результате атмосферная утечка способна постепенно изменить соотношение дейтерия и водорода, увеличивая относительную долю дейтерия в оставшейся воде. На наблюдаемое значение D/H также могли повлиять перемешивание атмосферных слоёв и химические реакции, запускаемые светом звезды.

Однако существует и другое возможное объяснение. WASP-39b могла сформироваться значительно дальше от своей звезды, в более холодной области планетной системы, за так называемой снеговой линией — границей, за которой вода и другие летучие вещества могут существовать в виде льда.

В таком случае планета могла первоначально получить большое количество богатого водой вещества в холодных внешних областях протопланетного диска, а затем постепенно переместиться ближе к своей звезде. Исследователи отмечают, что наблюдения протопланетных льдов в подобных областях показывают степень обогащения дейтерием, которая может соответствовать значению D/H, полученному для WASP-39b.

При этом пока невозможно однозначно определить, какой из этих сценариев объясняет наблюдаемое соотношение изотопов. Для проверки гипотезы о формировании планеты во внешней части системы потребуются более сложные химические модели, способные учитывать процессы, происходившие во время её формирования и последующей миграции.

WASP-39b была обнаружена в 2011 году и обращается вокруг своей звезды на расстоянии более чем в 20 раз меньшем, чем расстояние от Земли до Солнца. Несмотря на экстремальную близость к своей звезде и температуру, приближающуюся к 1000 °C, экзопланета, согласно предыдущим оценкам, может содержать примерно в три раза больше воды, чем Сатурн.

При этом WASP-39b сама по себе не является кандидатом на обитаемость. Это раскалённый газовый гигант, условия на котором совершенно не похожи на земные.

Однако исследователи считают, что обнаружение полутяжёлой воды может оказаться важным не столько для изучения самой WASP-39b, сколько для будущих наблюдений других экзопланет. HDO обладает характерными спектральными особенностями, которые позволяют обнаруживать её с помощью спектроскопии.

По мнению авторов работы, полутяжёлая вода в будущем может стать одним из наиболее доступных индикаторов для изучения происхождения воды на более холодных каменистых экзопланетах. Если подобные соединения удастся обнаруживать в атмосферах потенциально пригодных для жизни миров, соотношение дейтерия и водорода может стать дополнительным инструментом для оценки условий их формирования и потенциальной обитаемости.

Таким образом, наблюдение WASP-39b не означает обнаружения жизни или даже непосредственно обитаемой планеты. Оно показывает, что химический состав воды в атмосфере далёких миров способен сохранять информацию об их происхождении, эволюции и перемещениях внутри планетных систем.

Исследование опубликовано в виде препринта на сервере arXiv.