• Começa com um estrondo

K2-18b é um mundo oceânico habitado? Não aposte nisso

Algumas observações fascinantes do K2-18b vieram acompanhadas de comunicações especulativas horrendas. Não há evidências de oceanos ou vida.

Principais conclusões

• Recentemente, um exoplaneta semelhante a um mini-Netuno teve seu espectro obtido, revelando a presença de gases como metano, dióxido de carbono, hidrogênio e talvez sulfeto de dimetila.
• No entanto, as alegações resultantes desses dados, incluindo a de que se trata de um mundo híciano rico em água e com vida na sua atmosfera, são absolutamente absurdas e não são apoiadas pelos dados.
• Embora devamos absolutamente continuar procurando vida em lugares incomuns, é de vital importância não nos enganarmos tirando conclusões precipitadas. Infelizmente, quase todo mundo ainda está entendendo errado.

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Sinto muito a todos, mas precisamos conversar sobre Mundos Hyceanos e sulfeto de dimetila. Se você tem acompanhado as notícias, deve ter ouvido falar que existe um planeta que é:

• 120 anos-luz da Terra (esta parte é verdade),
• isso é o que os astrônomos chamam de “zona habitável” de sua estrela (o que é tecnicamente, mas não praticamente, verdade),
• que é maior e mais massivo que a Terra (que muitos ainda, erroneamente, chamam de super-Terra),
• que está coberto por um oceano de água líquida (o que não é uma afirmação apoiada pelos dados),
• e que contém sulfeto de dimetila em sua atmosfera (o que pode ou não ser verdade), um composto que só é produzido por processos biológicos aqui na Terra.

Este planeta, K2-18b, foi de fato observado pelo JWST , e obteve um espectro fantástico de sua atmosfera, revelando muitos detalhes fascinantes sobre ela.

No entanto, não há nenhuma evidência de que K2-18b seja um mundo Hyceano; nenhuma água foi detectada. Existem apenas evidências duvidosas para o sulfeto de dimetila e, mesmo que ele exista na atmosfera, atribuir-lhe uma causa biológica é uma proposição incrivelmente duvidosa. No entanto, se você leu as manchetes da Internet, não são apenas os suspeitos do costume, como o Correio de Nova York ou o Correio Diário com manchetes escandalosas e alienígenas, mas normalmente lugares confiáveis ​​como Geografia nacional , a BBC , e aqui mesmo no Big Think .

Mas aposto que você não quer exageros e exageros; você quer a verdade científica. Vamos dar uma olhada no que realmente está acontecendo com o exoplaneta K2-18b.

O mundo de “tamanho” mais comum na galáxia é uma super-Terra, entre 2 e 10 massas terrestres, como Kepler 452b, ilustrado à direita. Mas a ilustração deste mundo como “semelhante à Terra”, de qualquer forma, pode estar errada, pois é mais provável que tenha um grande envelope de gás volátil, tornando-o um mini-Netuno, ou seja um núcleo planetário quente e despojado: como uma versão ampliada de Mercúrio.

Não é nada parecido com a Terra

Estamos bem cientes de que, quando se trata de planetas com o tamanho físico da Terra, existem inúmeras possibilidades de como esse mundo poderia ser.

• Poderia ser exatamente como a Terra: com uma atmosfera tênue, água líquida em sua superfície, mas também continentes e massas de terra ao lado deles.
• Poderia ser como a Terra, mas mais húmida: com uma atmosfera fina e uma superfície totalmente coberta por água, sem continentes ou massas de terra, exceto abaixo das profundezas aquosas.
• Pode ser seco e/ou quente: com uma atmosfera tênue (ou mesmo sem atmosfera), praticamente sem água e uma superfície sólida e rochosa, como Marte ou Mercúrio.
• Poderia ser congelado e frio: onde, sob qualquer atmosfera que tenha (se houver), há uma superfície gelada contendo água, com potencialmente um oceano aquoso subterrâneo líquido abaixo dela.
• Ou poderia ter desenvolvido a sua própria atmosfera espessada, potencialmente com nuvens, devido a gases vulcânicos e outros compostos produzidos quimicamente. Tal como Vénus, é pouco provável que estes mundos tenham temperaturas superficiais propícias a oceanos aquosos.

Você pode perguntar, então, quando se trata do exoplaneta K2-18b, que está aproximadamente à mesma distância relativa de sua estrela-mãe que a Terra está do Sol em termos de temperatura, qual dessas possibilidades o descreve melhor?

A resposta, surpreendentemente, é nenhuma delas. Nenhuma dessas possibilidades descreve o K2-18b, porque ele é massivo, inchado e mais parecido com Netuno do que com a Terra.

Quando a luz das estrelas passa pela atmosfera de um exoplaneta em trânsito, são impressas assinaturas. Dependendo do comprimento de onda e da intensidade das características de emissão e absorção, a presença ou ausência de várias espécies atómicas e moleculares na atmosfera de um exoplaneta pode ser revelada através da técnica de espectroscopia de trânsito. O JWST não consegue obter espectros de planetas do tamanho da Terra em torno de estrelas semelhantes ao Sol, mas o Observatório de Mundos Habitáveis ​​finalmente conseguirá.

Pense nesses fatos por um momento.

K2-18b tem cerca de 2,6 vezes o raio da Terra e 8,6 vezes a massa da Terra. Isso significa que sua densidade é menos de metade da densidade da Terra, o que implica que ela tem um grande envelope de gases voláteis ao seu redor.

A massa/tamanho máximo que um planeta pode ter e ainda ter uma superfície rochosa sob uma atmosfera relativamente fina é cerca de duas vezes a massa da Terra e cerca de 1,3 vezes o raio da Terra; K2-18b excede ambos os valores em grande quantidade.

E para planetas grandes e massivos que são mais parecidos com Netuno/Urano do que com Terra/Marte/Vênus, sua atração gravitacional mais forte torna mais fácil para eles reterem os gases mais leves de todos: hidrogênio e hélio, enquanto para planetas pequenos e de baixa massa planeta como o nosso, nossa gravidade é insuficiente para evitar que a radiação solar ferva esses átomos/moléculas.

Um estudo recente mostrou que qualquer planeta com mais de 1,75 vezes o raio da Terra deve ser semelhante a Netuno, não semelhante à Terra, e esse mesmo estudo mostrou que se uma atmosfera de hidrogênio/hélio atingir pelo menos meio por cento da massa total do planeta, o a pressão superficial será dezenas de milhares de vezes maior que a da superfície da Terra, enquanto a temperatura atingirá milhares de graus. K2-18b, portanto, não pode ser um mundo análogo à Terra coberto por oceanos.

A missão CHEOPS descobriu três planetas em torno da estrela Nu2 Lupi. O planeta mais interno é rochoso e contém apenas uma atmosfera fina, enquanto o segundo e o terceiro planetas descobertos têm envelopes grandes e ricos em voláteis. Embora alguns ainda os chamem de super-Terras, é muito claro que não só não são rochosos, mas a maioria dos planetas que chamamos de super-Terras não são como a Terra de forma significativa. Isto se estende a todos os exoplanetas com um raio acima de 1,7 raios terrestres, com muitos de tamanhos menores ainda tendo envelopes de hidrogênio e hélio.

O que nossos telescópios realmente encontraram na atmosfera do K2-18b?

Acredite ou não, estes novos dados do JWST não são a primeira vez que olhamos para a atmosfera deste exoplaneta, e também não é a primeira vez que afirmamos duvidosamente ter encontrado algo interessante para a possibilidade de vida.

Em 2019, o Telescópio Espacial Hubble fez observações espectroscópicas de K2-18b , uma observação parcialmente motivada pelo facto de que, à sua distância da sua estrela-mãe, este exoplaneta recebe aproximadamente a mesma quantidade de energia por metro quadrado da sua estrela que a Terra. Essas observações alegaram detectar:

• uma espessa atmosfera rica em hidrogênio,
• com nuvens detectadas,
• e também com uma possível detecção de vapor d'água.

O hidrogênio é definitivo; diz-nos que este não é um mundo semelhante à Terra ou super-Terra, mas um planeta semelhante a Neptuno com um espesso envelope de gás à sua volta. As nuvens são uma interpretação possível dos dados, mas a evidência não é certeira. Mesmo que existam nuvens, elas não são necessariamente feitas de água; quase qualquer gás que possa condensar pode formar nuvens. E a razão pela qual o vapor de água foi marcado apenas como uma “possível detecção” é porque o Telescópio Espacial Hubble só consegue ver um pouco no infravermelho, e para onde levou seu espectro de K2-18b, as assinaturas potenciais de vapor de água e metano (um gás muito diferente) não pôde ser distinguido.

Este gráfico mostra o espectro, de 0,8-5,0 mícrons, do exoplaneta K2-18b obtido com o JWST. O sinal é mostrado com pontos de dados com barras de erro; a interpretação do sinal pelo grupo descobridor é mostrada ao lado dele.

Mas o JWST, com as suas capacidades espectroscópicas, foi capaz de ir muito mais longe no infravermelho. À medida que K2-18b passa em frente da sua estrela-mãe em relação à nossa linha de visão, parte dessa luz estelar é “filtrada” através da atmosfera do planeta, permitindo-nos medir o seu espectro de transmissão e ver que moléculas estão a deixar a sua “impressão digital”. atrás. Quando viu K2-18b durante tal evento de trânsito, tomando seu espectro com os instrumentos NIRISS e NIRSpec , mediu o espectro em uma faixa que vai de 0,8 a 5,0 mícrons, o que é muito maior do que o intervalo do Hubble de 1,1-1,7 mícrons.

Os resultados, mostrados acima, mostram definitivamente que o que foi rotulado como uma “possível assinatura de água” pelo Hubble era na verdade metano, e que é o metano e o dióxido de carbono que estão provavelmente presentes na atmosfera deste mundo.

Você também notará que, se olhar a imagem acima, há outro conjunto de letras indicando uma molécula: DMS. Isto representa o sulfeto de dimetila e, embora os autores afirmem a detecção desta molécula, é apenas uma pequena característica de “mudança” no espectro que indicaria sua presença. Devido às grandes barras de erro/incertezas até mesmo nestes incríveis dados do JWST, não podemos afirmar inequivocamente a presença deste gás.

Como são os planetas fora do nosso sistema solar, ou exoplanetas? Uma variedade de possibilidades é mostrada nesta ilustração. Os cientistas descobriram os primeiros exoplanetas na década de 1990. Em 2023, a contagem era de pouco mais de 5.000 exoplanetas confirmados. Nenhum é conhecido por ser habitado, mas alguns levantam possibilidades tentadoras: principalmente entre os planetas do tamanho da Terra, não os do tamanho da super-Terra.

Mundo Hyceano?

Embora um mundo do tamanho da Terra coberto de água fosse um lugar incrivelmente interessante para procurar vida e, em particular, para procurar as bioassinaturas associadas aos processos que ocorrem nas águas oceânicas, é um enorme exagero aplicar esses mesmos critérios a um gás. mundo gigante como K2-18b.

Por que?

Porque não foi detectada água no K2-18b.

É isso mesmo, vou repetir: estes novos resultados do JWST revertem a afirmação anterior, dos dados do Hubble, que suspeitava que havia água/vapor de água presente na atmosfera do K2-18b. Sabemos agora que a assinatura era na verdade a impressão do metano, que foi confundido com água no estudo anterior.

Isso não significa que não haja água em K2-18b, mas significa que onde poderíamos ter detectado água usando nossas tecnologias atuais - na atmosfera superior deste planeta gigante gasoso - agora sabemos que não há água lá. . Talvez ainda possa haver água numa camada mais baixa da atmosfera, ou bem abaixo dos gases voláteis mais próximos da superfície real (por mais abaixo que esteja), mas este não é definitivamente um mundo Hyceano, coberto por oceanos, como muitos têm. reivindicado.

Quando um exoplaneta passa em frente da sua estrela-mãe, uma parte da luz estelar será filtrada através da atmosfera do exoplaneta, permitindo-nos dividir essa luz nos seus comprimentos de onda constituintes e caracterizar a composição atómica e molecular da atmosfera. Se o planeta for habitado, poderemos revelar bioassinaturas únicas, mas se o planeta tiver um envelope espesso e rico em gases de voláteis à sua volta, as perspectivas de habitabilidade serão muito baixas. Quase todos os chamados mundos “super-Terras” que tiveram seu espectro de trânsito medido revelaram esses envelopes voláteis característicos, sugerindo que são mini-Netunos em vez de super-Terras. K2-18b não é diferente.

Mas, por outro lado, talvez seja realmente um mundo Hyceano, mas não como a Terra.

Vamos imaginar que o hidrogénio na atmosfera deste exoplaneta é na verdade uma camada muito fina e que por baixo dela existe uma enorme quantidade de água. Na verdade, vamos imaginar que haja mais água neste mundo do que em qualquer outro mundo do Sistema Solar, incluindo As luas ricas em água de Júpiter e Saturno . Se você fizer isso, um estudo de 2020 mostrou que um interior muito rico em água sob uma fina atmosfera de hidrogênio pode levar à produção de dióxido de carbono e metano na alta atmosfera. Acontece que essas previsões são consistentes com o que o JWST viu.

Em outras palavras, não é totalmente implausível que talvez, apenas talvez, esta seja uma versão mini-Netuno de um mundo hiciano rico em água, e talvez realmente exista algum tipo de forma de vida extremamente exótica em um mundo como este. Afinal, o espectro do JWST mostra uma indicação (fraca) de sulfeto de dimetila, que sabemos que aqui na Terra é produzido biologicamente. Poderia ser isso realmente o que está acontecendo aqui?

Os espectros de K2-18 b, obtidos com NIRISS (Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph) e NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) de Webb, mostram uma abundância de metano e dióxido de carbono na atmosfera do exoplaneta, bem como uma possível detecção de um molécula chamada sulfeto de dimetila (DMS). No entanto, a importância dos dados poderia potencialmente indicar muitos outros resultados além daquele defendido pelos autores do estudo.

Sobre aquele sulfeto de dimetila

Aqui na Terra, o sulfeto de dimetila é produzido por organismos vivos. É o que chamamos de “bioassinatura terrestre”, o que significa que quando a vemos aqui, no nosso planeta, é indicativo de que alguma forma de vida a está produzindo. A maior parte do sulfeto de dimetila da Terra é produzido por fitoplâncton e bactérias , e representa a forma dominante de enxofre orgânico encontrados nos oceanos da Terra. É razoável, portanto, pensar que se encontrarmos uma assinatura da mesma molécula, este sulfeto de dimetila, em outro planeta, então talvez esse planeta seja um bom candidato à vida.

Mas encontramos sulfeto de dimetila no exoplaneta K2-18b?

Infelizmente, faltam evidências. Quando queremos reivindicar uma “detecção” em astronomia, existem certos limites de confiança que precisamos de considerar. Medimos estes em termos de significância estatística, onde, assumindo que os únicos erros são estatísticos:

• um sinal de 1 sigma acabará sendo um acaso em 32% das vezes,
• um sinal de 2 sigma é um acaso 5% das vezes,
• um sinal de 3 sigma é um acaso 0,3% das vezes,
• um sinal de 4 sigma é um acaso 0,01% das vezes,
• e um sinal 5 sigma é um acaso apenas 0,00006% das vezes.

5-sigma é o que consideramos o “padrão ouro” para descobertas em astrofísica e física de partículas, já que muitos sinais de 3-sigma ou menos frequentemente acabam “regredindo à média” com dados aumentados/melhorados, e acabam não o fazendo. afinal, serão detecções genuínas.

Se você quiser quantificar o quão forte é o seu resultado, você o mede em termos de “sigma” ou significância estatística. Um resultado significativo em 1 sigma tem apenas 68% de confiança; em física e astrofísica, 5 sigma é o padrão ouro para anunciar uma descoberta.

E é aqui que encontramos grandes problemas com a interpretação dos espectros JWST.

• Detectamos metano? Absolutamente; essa assinatura realmente ultrapassa o limite de 5 sigma, e podemos estar extremamente confiantes de que ela está realmente presente na atmosfera de K2-18b.
• Detectamos dióxido de carbono? Provavelmente; atravessámos aí o limiar dos 3 sigma, o que nos leva a acreditar que, provavelmente, é mais provável que exista realmente dióxido de carbono na atmosfera do K2-18b.
• E detectamos sulfeto de dimetila? É muito cedo para dizer. A significância da detecção é de apenas cerca de 1 sigma, o que significa que não podemos descartá-la, mas também que as evidências que sustentam sua existência são extremamente frágeis.

Se você tivesse apenas 1 sigma de confiança em sua capacidade de atravessar a rua sem ser atropelado, você absolutamente não escolheria atravessar a rua. Da mesma forma, se você tiver apenas 1 sigma de confiança em seu resultado científico, deverá exigir a obtenção de mais dados superiores antes de reivindicar uma detecção. Também é importante notar - e isso é muito importante para qualquer pessoa familiarizada com a área - que todas as reivindicações do sulfeto de dimetila e do K2-18b como um mundo Hycean podem ser atribuídas a uma única pessoa: o cientista de Cambridge Nikku Madhusudhan . O Lançamento da NASA , o lançamento de Cambridge , e seu passado e atual trabalhar representam o conjunto completo de todas as fontes primárias que discutem o cenário de uma fina atmosfera de hidrogênio com uma superfície rica em água abaixo dela, onde o sulfeto de dimetila é produzido em K2-18b, em toda a literatura científica.

Isto não significa que a afirmação esteja errada, mas significa que esta afirmação está a ser promovida por uma e apenas uma pessoa/grupo, numa situação em que a confirmação independente é absolutamente necessária.

A nossa noção de zona habitável é definida pela propensão de um planeta do tamanho da Terra com uma atmosfera semelhante à da Terra, a essa distância específica da sua estrela-mãe, de ter capacidade para água líquida, sem cobertura de gelo, na sua superfície. Embora isto descreva as condições que a Terra possui, não se sabe se isto é um requisito, ou mesmo uma preferência, da vida. Nenhum é conhecido por ser habitado, mas alguns levantam possibilidades tentadoras: principalmente entre os planetas do tamanho da Terra, e não os do tamanho da super-Terra, com grandes envelopes gasosos voláteis ao seu redor.

Recapitulação das evidências: onde termina e onde começa a especulação

Então, onde estamos em relação ao exoplaneta K2-18b? Sabemos que contém metano em sua atmosfera. Suspeitamos fortemente que contém dióxido de carbono na sua atmosfera. Vemos evidências sugestivas, mas não convincentes, de sulfeto de dimetila, e também observamos que se o JWST realmente detectou sulfeto de dimetila e se é de origem biológica, deve haver uma enorme quantidade de criaturas semelhantes a fitoplâncton/bactérias produzindo-o neste mundo: muito maior do que qualquer tipo de produção que ocorre nos oceanos da Terra. No entanto, também não vemos evidências de que K2-18b contenha água; não vemos nenhuma evidência de água lá. E, o mais importante, não há detecção de nenhuma bioassinatura neste mundo.

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Ainda pode ser, é claro. Talvez o modelo do K2-18b com uma fina atmosfera de hidrogênio, um oceano de água espessa abaixo dele e uma atividade biológica desenfreada que produz sulfeto de dimetila se mostre correto. Mas, neste ponto, trata-se de uma série de especulações construídas umas sobre as outras, já que os dados também são muito consistentes e nenhuma dessas coisas é verdadeira.

É um enorme problema que, na procura de vida extraterrestre, tantos de nós – incluindo profissionais de astronomia e astrobiologia, e não apenas jornalistas – sejamos rápidos a tirar conclusões precipitadas sem provas suficientemente fortes. Responder à questão “estamos sozinhos” no Universo está finalmente ao nosso alcance científico. Devemos ter cuidado, acima de tudo, para garantir que estamos fazendo tudo certo.

O autor agradece à Dra. Elizabeth Tasker pelo seu excelente trabalho explicando a ciência deste resultado em particular, e do exoplaneta K2-18b em geral.

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