Niezwykle wysoki stosunek deuteru do wodoru

Dzięki wykryciu HDO badacze mogli oszacować stosunek deuteru do wodoru, czyli D/H, w wodzie obecnej w atmosferze WASP-39b. Otrzymana wartość to 4,0^{+1,3}_{-1,1} × 10⁻³ .

To znacznie więcej niż wartości mierzone w atmosferach Jowisza, Saturna, Urana i Neptuna. Jednocześnie wynik liczbowo pokrywa się z niektórymi wartościami obserwowanymi w środowiskach protogwiazdowych oraz w obiektach wewnętrznej części Układu Słonecznego .

Sam stosunek D/H jest dla astronomów czymś w rodzaju chemicznego archiwum. Może przechowywać informacje o tym, gdzie powstała woda, z jakimi materiałami została dostarczona na planetę i jak atmosfera zmieniała się w czasie.

Dwa możliwe wyjaśnienia wzbogacenia w deuter

Autorzy preprintu przedstawili dwa główne scenariusze, które mogą tłumaczyć podwyższoną zawartość deuteru na WASP-39b .

1. Woda odziedziczona po zimnym miejscu narodzin

Planeta mogła powstać daleko od swojej gwiazdy, poza tak zwaną linią śniegu — obszarem dysku protoplanetarnego, w którym woda może kondensować i występować w postaci lodu. W takich chłodnych warunkach lody bogatsze w deuter mogły zostać wbudowane w materiały, z których formowała się planeta.

Następnie WASP-39b mogła przemieścić się na obecną, bardzo bliską orbitę. Jeśli tak było, jej atmosfera zachowałaby ślad warunków panujących w odległych, zimnych rejonach układu planetarnego .

2. Przetwarzanie izotopowe atmosfery

Druga możliwość zakłada, że podwyższony poziom deuteru powstał już po uformowaniu planety. Reakcje fotochemiczne w górnych warstwach atmosfery, mieszanie pionowe oraz preferencyjne uchodzenie lżejszego wodoru w przestrzeń kosmiczną mogły z czasem zwiększyć względną ilość cięższego deuteru w atmosferze obserwowanej przez JWST .

Na obecnym etapie dane nie rozstrzygają jednoznacznie, który z tych scenariuszy jest właściwy. Oba pokazują jednak, że izotopy mogą pomóc odtworzyć historię odległych planet.

Dlaczego odkrycie jest ważne dla poszukiwania życia?

WASP-39b jest gorącą, gazową planetą i według znanych kryteriów nie nadaje się do zamieszkania. Wykrycie HDO nie oznacza więc znalezienia życia ani nawet warunków sprzyjających jego powstaniu .

Jest jednak ważnym testem możliwości teleskopu Webba. Stosunek D/H może być bowiem cennym wskaźnikiem historii wody na planecie. Na Ziemi proporcje deuteru i wodoru w oceanach pomagają badać, skąd pochodziła woda — na przykład czy została dostarczona przez planetoidy, czy komety .

W przyszłości astronomowie mogą spróbować zastosować tę samą metodę do chłodniejszych, skalistych egzoplanet. Pomiar HDO i D/H mógłby pomóc odpowiedzieć na trzy kluczowe pytania:

• Skąd pochodziła woda? Czy planeta otrzymała ją wraz z bogatymi w lód materiałami z zewnętrznych obszarów swojego układu?
• Jak oddziaływała na nią gwiazda? Czy promieniowanie gospodarza zmieniło skład wody i atmosfery w ciągu miliardów lat?
• Ile atmosfery uciekło w kosmos? Czy lżejszy wodór został w dużej mierze utracony, pozostawiając względnie więcej deuteru?

Odpowiedzi mogłyby pomóc ocenić, czy na skalistym świecie istnieje szansa na utrzymanie ciekłej wody na powierzchni, a tym samym — czy może on oferować warunki potencjalnie sprzyjające życiu . Detekcja HDO na WASP-39b pokazuje, że JWST potrafi śledzić tę subtelną sygnaturę chemiczną. To krok w stronę dokładniejszego badania historii wody na planetach poza Układem Słonecznym.

Niezwykle wysoki stosunek deuteru do wodoru

Dzięki wykryciu HDO badacze mogli oszacować stosunek deuteru do wodoru, czyli D/H, w wodzie obecnej w atmosferze WASP-39b. Otrzymana wartość to 4,0^{+1,3}_{-1,1} × 10⁻³ .

To znacznie więcej niż wartości mierzone w atmosferach Jowisza, Saturna, Urana i Neptuna. Jednocześnie wynik liczbowo pokrywa się z niektórymi wartościami obserwowanymi w środowiskach protogwiazdowych oraz w obiektach wewnętrznej części Układu Słonecznego .

Sam stosunek D/H jest dla astronomów czymś w rodzaju chemicznego archiwum. Może przechowywać informacje o tym, gdzie powstała woda, z jakimi materiałami została dostarczona na planetę i jak atmosfera zmieniała się w czasie.

Dwa możliwe wyjaśnienia wzbogacenia w deuter

Autorzy preprintu przedstawili dwa główne scenariusze, które mogą tłumaczyć podwyższoną zawartość deuteru na WASP-39b .

1. Woda odziedziczona po zimnym miejscu narodzin

Planeta mogła powstać daleko od swojej gwiazdy, poza tak zwaną linią śniegu — obszarem dysku protoplanetarnego, w którym woda może kondensować i występować w postaci lodu. W takich chłodnych warunkach lody bogatsze w deuter mogły zostać wbudowane w materiały, z których formowała się planeta.

Następnie WASP-39b mogła przemieścić się na obecną, bardzo bliską orbitę. Jeśli tak było, jej atmosfera zachowałaby ślad warunków panujących w odległych, zimnych rejonach układu planetarnego .

2. Przetwarzanie izotopowe atmosfery

Druga możliwość zakłada, że podwyższony poziom deuteru powstał już po uformowaniu planety. Reakcje fotochemiczne w górnych warstwach atmosfery, mieszanie pionowe oraz preferencyjne uchodzenie lżejszego wodoru w przestrzeń kosmiczną mogły z czasem zwiększyć względną ilość cięższego deuteru w atmosferze obserwowanej przez JWST .

Na obecnym etapie dane nie rozstrzygają jednoznacznie, który z tych scenariuszy jest właściwy. Oba pokazują jednak, że izotopy mogą pomóc odtworzyć historię odległych planet.

Dlaczego odkrycie jest ważne dla poszukiwania życia?

WASP-39b jest gorącą, gazową planetą i według znanych kryteriów nie nadaje się do zamieszkania. Wykrycie HDO nie oznacza więc znalezienia życia ani nawet warunków sprzyjających jego powstaniu .

Jest jednak ważnym testem możliwości teleskopu Webba. Stosunek D/H może być bowiem cennym wskaźnikiem historii wody na planecie. Na Ziemi proporcje deuteru i wodoru w oceanach pomagają badać, skąd pochodziła woda — na przykład czy została dostarczona przez planetoidy, czy komety .

W przyszłości astronomowie mogą spróbować zastosować tę samą metodę do chłodniejszych, skalistych egzoplanet. Pomiar HDO i D/H mógłby pomóc odpowiedzieć na trzy kluczowe pytania:

• Skąd pochodziła woda? Czy planeta otrzymała ją wraz z bogatymi w lód materiałami z zewnętrznych obszarów swojego układu?
• Jak oddziaływała na nią gwiazda? Czy promieniowanie gospodarza zmieniło skład wody i atmosfery w ciągu miliardów lat?
• Ile atmosfery uciekło w kosmos? Czy lżejszy wodór został w dużej mierze utracony, pozostawiając względnie więcej deuteru?

Odpowiedzi mogłyby pomóc ocenić, czy na skalistym świecie istnieje szansa na utrzymanie ciekłej wody na powierzchni, a tym samym — czy może on oferować warunki potencjalnie sprzyjające życiu . Detekcja HDO na WASP-39b pokazuje, że JWST potrafi śledzić tę subtelną sygnaturę chemiczną. To krok w stronę dokładniejszego badania historii wody na planetach poza Układem Słonecznym.