Astronomer har funnit att en exoplanet mer än dubbelt så stor som jorden är potentiellt beboelig, öppnar sökandet efter liv för planeter som är betydligt större än jorden men mindre än Neptunus.

Ett team från University of Cambridge använde massan, radie, och atmosfäriska data från exoplaneten K2-18b och fastställde att det är möjligt för planeten att vara värd för flytande vatten under beboeliga förhållanden under dess väterika atmosfär. Resultaten redovisas i The Astrophysical Journal Letters .

Exoplaneten K2-18b, 124 ljusår bort, är 2,6 gånger radien och 8,6 gånger jordens massa, och kretsar runt sin stjärna inom den beboeliga zonen, där temperaturer kan tillåta flytande vatten att existera. Planeten var föremål för betydande mediabevakning hösten 2019, som två olika team rapporterade upptäckt av vattenånga i dess väterika atmosfär. Dock, omfattningen av atmosfären och förhållandena för det inre därunder förblev okända.

"Vattenånga har upptäckts i atmosfären på ett antal exoplaneter men, även om planeten är i den beboeliga zonen, det betyder inte nödvändigtvis att det finns beboeliga förhållanden på ytan, " sa Dr Nikku Madhusudhan från Cambridges Institute of Astronomy, som ledde den nya forskningen. "För att fastställa utsikterna för beboelighet, det är viktigt att få en enhetlig förståelse av de inre och atmosfäriska förhållandena på planeten – i synnerhet, om flytande vatten kan finnas under atmosfären."

Med tanke på den stora storleken på K2-18b, det har föreslagits att det skulle vara mer som en mindre version av Neptunus än en större version av jorden. En "mini-Neptunus" förväntas ha ett betydande väte "hölje" som omger ett lager av högtrycksvatten, med en inre kärna av sten och järn. Om vätehöljet är för tjockt, temperaturen och trycket vid ytan av vattenskiktet under skulle vara alldeles för högt för att bära liv.

Nu, Madhusudhan och hans team har visat att trots storleken på K2-18b, dess vätehölje är inte nödvändigtvis för tjockt och vattenskiktet kan ha de rätta förutsättningarna för att upprätthålla liv. De använde de befintliga observationerna av atmosfären, samt massa och radie, att bestämma sammansättningen och strukturen av både atmosfären och interiören med hjälp av detaljerade numeriska modeller och statistiska metoder för att förklara data.

Forskarna bekräftade att atmosfären är väterik med en betydande mängd vattenånga. De fann också att nivåerna av andra kemikalier som metan och ammoniak var lägre än förväntat för en sådan atmosfär. Om dessa nivåer kan hänföras till biologiska processer återstår att se.

Teamet använde sedan de atmosfäriska egenskaperna som gränsvillkor för modeller av planetens inre. De utforskade ett brett utbud av modeller som kunde förklara de atmosfäriska egenskaperna såväl som planetens massa och radie. Detta gjorde det möjligt för dem att få ett urval av möjliga förhållanden i interiören, inklusive omfattningen av vätehöljet och temperaturerna och trycken i vattenskiktet.

"Vi ville veta tjockleken på vätehöljet - hur djupt vätet går, " sa medförfattaren Matthew Nixon, en Ph.D. student vid Institutet för astronomi. "Även om det här är en fråga med flera lösningar, vi har visat att du inte behöver mycket väte för att förklara alla observationer tillsammans."

Forskarna fann att den maximala omfattningen av vätehöljet som tillåts av data är cirka 6% av planetens massa, även om de flesta av lösningarna kräver mycket mindre. Den minsta mängden väte är ungefär en miljondel i massa, liknande massandelen av jordens atmosfär. Särskilt, ett antal scenarier möjliggör en havsvärld, med flytande vatten under atmosfären vid tryck och temperaturer som liknar dem som finns i jordens hav.

Denna studie öppnar sökandet efter beboeliga förhållanden och biosignaturer utanför solsystemet för exoplaneter som är betydligt större än jorden, bortom jordliknande exoplaneter. Dessutom, planeter som K2-18b är mer tillgängliga för atmosfäriska observationer med nuvarande och framtida observationsanläggningar. De atmosfäriska begränsningarna som erhålls i denna studie kan förfinas med framtida observationer med stora anläggningar som det kommande rymdteleskopet James Webb.