A Scale-Height Estimate of the Mean Molecular Weight of K2-18 b from JWST NIRISS SOSS and NIRSpec G395H Transmission Spectra

अन्य तारों की परिक्रमा करने वाली दुनियाओं के विशाल कैटलॉग में, कुछ दुनियाएं न केवल अपने आकार या दूरी के लिए, बल्कि इस संभावना के लिए भी अलग पहचान बनाती हैं कि वे जीवन के अनुकूल परिस्थितियों को धारण कर सकती हैं। इनमें से एक है K2-18 b, एक ऐसा ग्रह जो पृथ्वी की चौड़ाई से लगभग दोगुना बड़ा है, जो एक धुंधले लाल तारे की परिक्रमा कर रहा है और एक ऐसे क्षेत्र में स्थित है जहाँ सतह पर तरल पानी सैद्धांतिक रूप से मौजूद हो सकता है। खगोलविदों ने लंबे समय से इस दुनिया के प्रति आकर्षण महसूस किया है क्योंकि यह एक चट्टानी ग्रह और एक गैस दानव (गैस जाइंट) के बीच के एक धूसर क्षेत्र में स्थित है। यह एक घना वायुमंडल रखने के लिए पर्याप्त बड़ा है, फिर भी इतना छोटा है कि बादलों के नीचे इसकी एक ठोस सतह हो सकती है। केंद्रीय रहस्य उस वायुमंडल की प्रकृति है। क्या यह हाइड्रोजन और हीलियम का एक हल्का, फूला हुआ आवरण है, जो एक लघु गैस दानव के समान है? या क्या यह कार्बन डाइऑक्साइड और नाइट्रोजन जैसी गैसों की एक भारी, घनी परत है, जो शुक्र की मोटी हवा या मंगल की पतली हवा के अधिक समान है? उत्तर यह निर्धारित करता है कि क्या यह ग्रह एक "हाइसियन" (Hycean) दुनिया है जिसमें हाइड्रोजन के आकाश के नीचे एक वैश्विक महासागर है, या पूरी तरह से एक अलग प्रकार का विलक्षण वातावरण है। इसे हल करने के लिए, वैज्ञानिक देखते हैं कि जब ग्रह अपने तारे के सामने से गुजरता है, तो प्रकाश का प्रकाश कैसे उसके वायुमंडल से छनकर आता है, और मौजूद गैसों के रासायनिक पदचिह्नों की तलाश करते हैं और यह मापते हैं कि वायुमंडल ग्रह के आभासी आकार को कितना फुला देता है।

मुहम्मद इब्राहिम द्वारा किया गया एक हालिया अध्ययन इस विशिष्ट प्रश्न—वायुमंडल के वजन के बारे में—को संबोधित करने के लिए जेम्स वेब स्पेस टेलीस्कोप द्वारा एकत्र किए गए डेटा पर एक नया दृष्टिकोण प्रस्तुत करता है। शोधकर्ता ने ग्रह के मौसम या रसायन विज्ञान के हर विवरण को सिम्युलेट करने के लिए एक जटिल कंप्यूटर मॉडल बनाने का प्रयास नहीं किया। इसके बजाय, यह कार्य एक सरल, अधिक प्रत्यक्ष माप पर केंद्रित है: वायुमंडल की "त्वचा" की ऊंचाई। जब एक ग्रह अपने तारे के सामने से गुजरता है, तो वायुमंडल तारे के कुछ प्रकाश को अवशोषित कर लेता है, जिससे ग्रह कुछ रंगों की रोशनी में अन्य रंगों की तुलना में थोड़ा बड़ा दिखाई देता है। अवशोषण विशेषता (absorption feature) के सबसे गहरे भाग और आसपास के आधार रेखा (baseline) के बीच का अंतर वैज्ञानिकों को बताता है कि वायुमंडल कितनी दूर तक फैला हुआ है। यह ऊर्ध्वाधर दूरी "स्केल हाइट" (scale height) के रूप में जानी जाती है। यह मापने के माध्यम से कि वायुमंडल मीथेन और कार्बन डाइऑक्साइड के तरंग दैर्ध्य (wavelengths) पर कितना फूलता है, उस हवा को बनाने वाले अणुओं के औसत वजन को पीछे की ओर गणना करके निकाला जा सकता है। हल्के अणु एक अधिक फूला हुआ, विस्तृत वायुमंडल बनाते हैं, जबकि भारी अणु एक अधिक कसा हुआ, संकुचित वायुमंडल बनाते हैं।

इब्राहिम ने अंतरिक्ष टेलीस्कोप के दो उपकरणों से प्राप्त कच्चे डेटा का विश्लेषण किया, जिनका उपयोग पहले K2-18 b पर मीथेन और कार्बन डाइऑक्साइड का पता लगाने के लिए किया गया था। अध्ययन ने प्रकाश के छह विशिष्ट बैंडों पर ध्यान केंद्रित किया जहाँ ये गैसें ऊर्जा को अवशोषित करती हैं। इन विशिष्ट रंगों पर ग्रह की छाया की गहराई की तुलना पड़ोसी रंगों के विरुद्ध, जहाँ वायुमंडल पारदर्शी है, करके, शोधकर्ता ने 56.1 पार्ट्स प्रति मिलियन का अतिरिक्त गहराई मापा। यह सूक्ष्म अंतर, जो एक मील की दूरी से देखी गई मानव बाल की मोटाई के बराबर है, वायुमंडलीय विशेषताओं के भौतिक विस्तार का प्रतिनिधित्व करता है। शोधकर्ता ने फिर इस माप को एक 'स्केल हाइट' में परिवर्तित किया, जो वायुमंडल की ऊर्ध्धर मोटाई का वर्णन करती है, और इसका उपयोग माध्य आणविक भार (mean molecular weight) की गणना करने के लिए किया। यह गणना एक एकल संख्या नहीं है बल्कि एक सीमा है जो वायुमंडल के तापमान और इस धारणा पर निर्भर करती है कि देखी गई विशेषताएं कितने स्केल हाइट का प्रतिनिधित्व करती हैं।

परिणाम दर्शाते हैं कि वायुमंडल का औसत आणविक भार तापमान और वायुमंडल की संरचना के बारे में की गई धारणाओं के आधार पर 2.0 और 5.3 के बीच कहीं है। यदि वायुमंडल अपेक्षाकृत ठंडा, 120 और 160 केल्विन के बीच है, तो गणना किया गया वजन 2.0 और 3.3 के बीच है। यह सीमा महत्वपूर्ण है क्योंकि यह एक हाइड्रोजन-समृद्ध वायुमंडल के वजन के साथ ओवरलैप होती है, जो लगभग 2.3 होगा, लेकिन यह भारी, समृद्ध वायुमंडल के क्षेत्र तक भी पहुँचती है। डेटा एक हल्के, हाइड्रोजन-प्रधान विश्व और एक भारी, अधिक जटिल वायुमंडल दोनों के अनुरूप है। महत्वपूर्ण रूप से, अध्ययन पाता है कि परिणाम माप के शोर (noise) या किसी एक विवादास्पद पहचान से प्रेरित नहीं है। यहाँ तक कि यदि कार्बन डाइऑक्साइड के संकेत को विश्लेषण से हटा भी दिया जाए, तो भी निष्कर्ष वही रहता है। अंतिम उत्तर में अनिश्चितता टेलीस्कोप डेटा की गुणवत्ता से नहीं, बल्कि वायुमंडल के अज्ञात तापमान और यह जानने की कठिनाई से आती है कि वायुमंडल की कितनी परतों की जांच की जा रही है।

यह शोध पत्र स्पष्ट रूप से यह दावा करने से बचता है कि यह ग्रह निश्चित रूप से एक हाइसियन दुनिया है या एक मिनी-नेपच्यून है। हालांकि परिणाम एक हाइड्रोजन-समृद्ध आवरण की अनुमति देते हैं, वे एक भारी वायुमंडल को खारिज नहीं करते हैं, और न ही वे एक तरल महासागर वाले ग्रह और मैग्मा सतह वाले ग्रह के बीच अंतर करने के लिए पर्याप्त साक्ष्य प्रदान करते हैं। शोधकर्ता नोट करते हैं कि वर्तमान डेटा इन संभावनाओं को अलग नहीं कर सकता क्योंकि दोनों परिदृश्य एक समान वायुमंडलीय वजन उत्पन्न कर सकते हैं। इसके अलावा, अध्ययन इस बात पर प्रकाश डालता है कि डाइमिथाइल सल्फाइड जैसी कुछ गैसों की उपस्थिति के बारे में पिछली बहसें इस विशिष्ट माप से हल नहीं हुई हैं। यह कार्य एक स्पष्ट, सीधा अनुमान है जो पुष्टि करता है कि वायुमंडल में एक हल्के गैस के अनुरूप विशेषताएं हैं, लेकिन भारी संरचनाओं के लिए भी द्वार खुला छोड़ देता है। यह इस बात पर जोर देता है कि हालांकि जेम्स वेब स्पेस टेलीस्कोप ने अविश्वसनीय रूप से सटीक माप प्रदान किए हैं, K2-18 b के वायुमंडल की वास्तविक प्रकृति तापमान और संरचना का एक प्रश्न बनी हुई है जिसे निश्चित रूप से उत्तर देने के लिए और अधिक अवलोकन और गहन मॉडलिंग की आवश्यकता है।