En ny studie visar hur kemikalierna i en exoplanets atmosfär i vissa fall kan avslöja om temperaturen på dess yta är för varm för flytande vatten eller inte.

I vårt solsystem är planeterna antingen små och steniga (som jorden) eller stora och gasformiga (som Neptunus). Men runt andra stjärnor har astronomer hittat planeter som hamnar däremellan — världar något större än jorden men mindre än Neptunus. Dessa planeter kan ha steniga ytor eller hav med flytande vatten, men de flesta kommer sannolikt att toppas med atmosfärer som är många gånger tjockare än jordens och ogenomskinliga.

I den nya studien, accepterad i Astrophysical Journal Letters , visar forskare hur kemin i dessa atmosfärer kan avslöja ledtrådar om vad som ligger under - specifikt vilka planeter som är för varma för att bära flytande vattenhav. Eftersom flytande vatten är en nödvändig ingrediens för livet som vi känner det, kan denna teknik hjälpa forskare att begränsa sitt sökande efter potentiellt beboeliga exoplaneter, eller planeter bortom vårt solsystem. Mer än 4 500 exoplaneter har bekräftats i vår galax, med över 7 700 kandidater som ännu inte har bekräftats, men forskare uppskattar att det finns hundratals miljarder exoplaneter i vår galax.

Vissa NASA-rymdteleskop utrustade med spektrometrar kan avslöja den kemiska sammansättningen av en exoplanets atmosfär. En kemisk profil av jorden skulle inte kunna avslöja bilder av till exempel kor eller människor på planetens yta, men den skulle visa koldioxid och metan som produceras av däggdjur och syre som produceras av träd. Ingen av dessa kemikalier ensamma skulle vara ett tecken på liv, men i kombination skulle de peka på möjligheten att vår planet är bebodd.

Det nya dokumentet visar vilka kemikalier som kan peka på dolda hav på exoplaneter mellan 1,7 och 3,5 gånger jordens diameter. Eftersom Neptunus är ungefär fyra gånger jordens diameter, kallas dessa planeter ibland "sub-Neptunes."

En tjock atmosfär på en planet under Neptunus skulle fånga värme på ytan och höja temperaturen. Om atmosfären når en viss tröskel - vanligtvis cirka 1 430 grader Fahrenheit (770 grader Celsius) - kommer den att genomgå en process som kallas termokemisk jämvikt som ändrar sin kemiska profil. Efter att termokemisk jämvikt har inträffat – och om man antar att planetens atmosfär till största delen består av väte, vilket är typiskt för gasformiga exoplaneter – kommer kol och kväve till övervägande del att vara i form av metan och ammoniak.

Dessa kemikalier skulle till stor del saknas i en svalare, tunnare atmosfär där termokemisk jämvikt inte har inträffat. I så fall skulle de dominerande formerna av kol och kväve vara koldioxid och molekyler av två kväveatomer.

Ett hav med flytande vatten under atmosfären skulle lämna ytterligare tecken, enligt studien, inklusive frånvaron av nästan all herrelös ammoniak, som skulle lösas i havet. Ammoniakgas är mycket löslig i vatten, beroende på havets pH (dess surhetsgrad). Över ett brett spektrum av rimliga pH-nivåer i havet fann forskarna att atmosfären borde vara praktiskt taget fri från ammoniak när det finns ett enormt hav under.

Dessutom skulle det finnas mer koldioxid än kolmonoxid i atmosfären; däremot, efter termokemisk jämvikt, bör det finnas mer kolmonoxid än koldioxid om det finns detekterbara mängder av någondera.

"Om vi ​​ser signaturerna för termokemisk jämvikt, skulle vi dra slutsatsen att planeten är för varm för att vara beboelig", säger Renyu Hu, en forskare vid NASA:s Jet Propulsion Laboratory, som ledde studien. "Vice versa, om vi inte ser signaturen för termokemisk jämvikt och även ser signaturer av gas löst i ett vätskevattenhav, skulle vi ta dem som en stark indikation på beboelighet."

NASA:s rymdteleskop James Webb, som ska lanseras den 18 december, kommer att bära en spektrometer som kan studera exoplanetatmosfärer. Forskare som Hu arbetar för att förutse vilka typer av kemiska profiler Webb kommer att se i dessa atmosfärer och vad de kan avslöja om dessa avlägsna världar. Observatoriet har förmågan att identifiera tecken på termokemisk jämvikt i sub-Neptunus-atmosfärer – med andra ord tecken på ett dolt hav – som identifierats i tidningen.

När Webb upptäcker nya planeter eller gör mer djupgående studier av kända planeter, kan denna information hjälpa forskare att avgöra vilka av dem som är värda ytterligare observationer, särskilt om forskare vill rikta in sig på planeter som kan hysa liv.

"Vi har inga direkta observationsbevis för att berätta för oss vad de vanliga fysiska egenskaperna för sub-Neptunes är," sa Hu. "Många av dem kan ha massiva väteatmosfärer, men en hel del kan fortfarande vara "havplaneter." Jag hoppas att detta dokument kommer att motivera många fler observationer inom en snar framtid för att ta reda på det."