Коллектив астрономов и планетологов из Массачусетского технологического института, Чикагского университета, Университета Мэриленда, Гриннелского колледжа и Калифорнийского технологического института предложил новый метод обнаружения атмосфер у каменных экзопланет. Авторы метода предназначают его для космического телескопа «Джеймс Уэбб», который должен быть выведен на орбиту в 2021 году.
Астрономов особенно интересует поиск экзопланет у красных карликов — звезд, которые меньше и холоднее по сравнению с Солнцем. Во-первых, это наиболее распространенный тип звезд в нашей Галактике. По разным оценкам, они составляют от 70 до 90 % от общего числа звезд. Во-вторых, благодаря малому размеру красных карликов проходящая перед ними планета заслоняет значительную часть света звезды, что облегчает обнаружение экзопланет транзитным методом, основанным на изменении светимости звезды при прохождении планеты на ее фоне. Телескоп «Джеймс Уэбб», работающий в ближнем и среднем инфракрасном диапазоне, сможет обнаруживать экзопланеты с температурой поверхности до 300 кельвинов (26,85 °C), ранее столь холодные планеты были недоступны для изучения таким методом. Более того, ученые надеются, что во многих случаях «Джеймс Уэбб» окажется способным регистрировать спектральные линии планет и определять наличие у них спутников.
Красные карлики существуют очень долго, поэтому вероятность возникновения жизни на их планетах и того, что эта жизнь успеет пройти значительную эволюцию, считается довольно высокой. Но, чтобы получить от них достаточно энергии для возникновения жизни, планета должна находиться намного ближе к такой звезде, чем Меркурий к Солнцу. Это выгодно для астрономов, ведь планета будет очень часто проходить на фоне своей звезды, что облегчит повторные наблюдения. Но для жизни на этих планетах такая близость может быть опасной. Молодые красные карлики очень активны, на них наблюдаются нерегулярные огромные вспышки и извержения плазмы. Звезда также испускает мощный поток заряженных частиц. Все эти эффекты могут уничтожить атмосферу планеты.
Поэтому астрономы постарались разработать действенный метод проверки, есть ли у экзопланеты атмосфера. Он основан на считающемся сейчас весьма вероятным предположении, что планеты, обращающиеся на близких орбитах у красных карликов, находятся в состоянии орбитального резонанса, а именно обращены к своей звезде всегда одной стороной. Земной наблюдатель (или телескоп «Джеймс Уэбб») будет видеть при прохождении такой планеты на фоне звезды только ее ночную сторону, а в моменты, когда она вот-вот скроется за звездой или только что вышла из-за нее, наблюдению будет доступна часть ее дневной поверхности.
Если каменная экзопланета лишена атмосферы, ее дневная сторона будет очень горячей, как обстоит дело на Луне или Меркурии. Однако если у такой планеты есть атмосфера, ожидается, что ее наличие снизит дневную температуру. Это вызывается переносом тепла с дневной стороны на ночную атмосферными потоками. Также атмосфера может содержать облака, которые отражают часть падающего света звезды, тем самым понижая температуру. «Всякий раз, когда вы добавляете атмосферу, вы понизите температуру дневного полушария планеты. Поэтому, если мы встретим нечто более прохладное, чем голый камень, мы сделаем вывод, что это, вероятно, признак атмосферы», — объяснил Дэниел Колл (Daniel Koll) из Массачусетского технологического института.
Космический телескоп «Джеймс Уэбб». Илл: NASA
По словам ученых, «Джеймс Уэбб» будет в состоянии обеспечить нужную точность измерений. Его зеркало имеет диаметр около 6,5 метра и площадь собирающей поверхности около 25 квадратных метров. По этим параметрам «Джеймс Уэбб» превзойдет современные космические телескопы «Хаббл» и «Спритцер». Расчеты показывают, что телескоп будет в состоянии обнаружить тепловое свидетельство атмосферы за одно-два повторных затмения, для чего потребуются всего несколько часов наблюдения. Тогда как обнаружение атмосферы с помощью спектроскопических наблюдений обычно требует восьми или более транзитов.
Авторы указывают на еще одно преимущество своего метода по сравнению со спектроскопическим. Трансмиссионная спектроскопия основана на анализе звездного света, прошедшего через атмосферу экзопланеты. Но такие спектры будут подвержены помехам из-за наличия в атмосфере облаков. В результате спектральные линии поглощения, характерные для присутствующих в атмосфере молекул, станут незаметны. «В трансмиссионной спектроскопии, если вы получаете плоскую линию, она ничего вам не говорит. Плоская линия может означать, что вселенная полна мертвых планет, у которых нет атмосферы, или что вселенная полна планет, которые имеют целый ряд разнообразных интересных атмосфер, но все они выглядят одинаково для нас из-за облачности», — говорит Элиза Кемптон (Eliza Kempton) из Университета Мэриленда.
Команда признаёт, что более низкая по сравнению с ожидаемой дневная температура станет важной подсказкой, но не сможет полностью доказать существование атмосферы. Остающиеся сомнения в наличии атмосферы должны быть исключены в ходе последующих исследований с использованием других методов, таких как трансмиссионная спектроскопия. Но сила нового метода заключается в быстром отборе планет-кандидатов. Важно также, что этот метод будет лучше всего работать на планетах, которые слишком горячи, чтобы находиться в обитаемой зоне. Однако определение, есть ли у этих горячих планет атмосферы, имеет важные последствия и для планет обитаемой зоны. «Если горячие планеты окажутся способными удерживать атмосферу, то более холодные тоже будут на это способны», — говорит Колл.
В течение прошлого года спутник TESS обнаружил более десятка планет, хорошо подходящих для применения нового метода. Ученые ожидают, что к моменту введения в эксплуатацию телескопа «Джеймс Уэбб» таких планет станет известно еще больше. Метод описан в серии из четырех статей (1, 2, 3, 4), которые опубликовал Astrophysical Journal.
