Новый метод обнаружит атмосферу у землеподобной планеты за несколько часов

Красные карлики являются удобной целью для поиска планет.

Красные карлики являются удобной целью для поиска планет.
Иллюстрация D. Aguilar/Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.

Учёные всё ещё спорят, может ли землеподобная планета красного карлика сохранить атмосферу.

Учёные всё ещё спорят, может ли землеподобная планета красного карлика сохранить атмосферу.
Иллюстрация L. Hustak, J. Olmsted (STScI).

Красные карлики являются удобной целью для поиска планет.
Учёные всё ещё спорят, может ли землеподобная планета красного карлика сохранить атмосферу.

Уже через два года должен быть запущен космический телескоп "Джеймс Уэбб". Астрономы разработали метод, который поможет ему очень быстро определять, есть ли у изучаемой планеты газовая оболочка.

Методика рассчитана на землеподобные планеты у красных карликов. Интерес к мирам земного типа понятен: они могут быть обитаемыми. Но чем учёных заинтересовали именно красные карлики?

Почему красные карлики?

Тому есть несколько серьёзных причин. Во-первых, к этому типу относится, по расчётам специалистов, более 70% светил в Галактике.

Во-вторых, есть лишь два по-настоящему продуктивных способа искать экзопланеты. Это метод транзитов, подаривший человечеству около 70% из известных на сегодня более чем 4100 миров, и метод лучевых скоростей, давший ещё около 20%. Первый подход основан на том, что планета затмевает часть света звезды, а второй – на том, что экзопланета воздействует на светило своей гравитацией. Понятно, что при фиксированном размере планеты оба эффекта будут тем заметнее, чем меньше звезда, а красные карлики – самые маленькие звёзды во Вселенной. Поэтому и искать у них экзопланеты легче всего.

Наконец, любые методы поиска новых миров требуют зафиксировать несколько оборотов планеты вокруг светила, чтобы подтвердить, что обнаруженный эффект регулярно повторяется. У инопланетян ушло бы несколько земных лет, чтобы обнаружить Землю, и несколько земных месяцев, чтобы найти Меркурий с его периодом обращения в 88 земных суток.

При этом планета обращается вокруг звезды тем быстрее, чем ближе к ней находится. Хотя учёных безусловно прежде всего интересуют миры в зоне обитаемости. Так специалисты называют диапазон расстояний до светила, в котором температура на поверхности планеты допускает существование там жидкой воды, и он довольно узок. Даже Венера с её "годом" в 225 земных дней, по оценкам многих экспертов, ни при каких условиях не могла бы иметь океаны (хотя есть и другие мнения).

Но красные карлики меньше и холоднее Солнца. Поэтому их потенциально обитаемые планеты расположены очень близко к звезде. Это значит, что и обращаются вокруг неё они быстро, делая один оборот за несколько земных дней. То есть в существовании потенциально обитаемой экзопланеты у красного карлика можно убедиться довольно быстро.

Кажется, всё складывается просто идеально. Распространённость красных карликов, их небольшой размер, быстрое обращение их потенциально обитаемых миров – всё работает на астрономов. Но в этой бочке мёда есть пикантная добавка от космического шеф-повара.

Дело в том, что красные карлики подвержены вспышкам, гораздо более частым и мощным, чем солнечные. На планету, расположенную в зоне обитаемости подобной звезды (то есть очень близко к ней), то и дело обрушиваются потоки заряженных частиц, выброшенных светилом. Среди экспертов нет единого мнения, выдержит ли атмосфера землеподобного мира такой натиск или улетучится в космос.

Учёные всё ещё спорят, может ли землеподобная планета красного карлика сохранить атмосферу.

Найти атмосферу

Традиционный метод поиска атмосфер состоит в том, чтобы уловить звёздные лучи, просвечивающие газовую оболочку над поверхностью планеты, и распознать в их спектре линии составляющих атмосферу веществ.

Однако такой подход имеет свои недостатки. Во-первых, если поверхность экзопланеты закрыта плотными облаками, эффект будет такой же, как если бы газовой оболочки вообще не было. Во-вторых, он требует наблюдений в течение как минимум восьми оборотов планеты вокруг своего солнца. Между тем каждая минута работы любого крупного телескопа драгоценна.

Поэтому астрономы разработали новый метод поиска атмосфер. Ему не помешают облака, и он позволит обнаружить газовую оболочку буквально за один-два оборота экзопланеты вокруг звезды. Правда, этот подход требует наблюдений в инфракрасном диапазоне с высокой чувствительностью, но это именно то, на что будет способен "Джеймс Уэбб".

Есть нюанс: методика рассчитана на миры, расположенные слишком близко к светилу, чтобы быть обитаемыми. Но, уж если выяснится, что даже они сохраняют атмосферу под градом исторгаемых звездой частиц, то за потенциально населённые планеты тем более можно будет не беспокоиться.

Новый подход

Подход авторов основан на том, что планеты, расположенные так близко к своему солнцу, неизбежно будут всё время повёрнуты к нему одной стороной (как Луна к Земле). То есть в одном полушарии будет нескончаемый день, а в другом – вечная ночь.

Разумеется, дневное полушарие безатмосферной планеты из-за этого раскалится. А вот газовая оболочка может его охлаждать. На это и рассчитывают учёные. Если температура дневной стороны планеты будет существенно ниже, чем ей полагалось бы в отсутствие атмосферы, это послужит доказательством, что "воздух" того или иного состава на ней есть.

Но как измерить температуру планеты без межзвёздного градусника? Это можно сделать благодаря испускаемому ею инфракрасному излучению, которое нужно отличить от лучей её светила. Для этого и нужен "Джеймс Уэбб" — инфракрасный телескоп с уникальными характеристиками.

Но, когда планета проходит по диску своего солнца, она повёрнута к наблюдателю ночной стороной. Это значит, что наблюдать нужно в тот момент, когда она собирается скрыться от взора землян за своим светилом или, напротив, только что вышла из-за него. В этот момент она демонстрирует человечеству свою светлую сторону (что, несомненно, одобрил бы магистр Йода).

По оценкам исследователей, миссия TESS должна открыть порядка ста планет, на которых можно опробовать новый алгоритм. При этом несколько таких миров уже известны. Учитывая, насколько быстро они обращаются вокруг своих светил, наблюдательного времени потребуется мало.

"Мы находим, что "Уэбб" мог бы легко определить наличие или отсутствие атмосферы вокруг дюжины известных скалистых экзопланет с временем наблюдения менее 10 часов на планету", – говорит Джейкоб Бин (Jacob Bean) из Чикагского университета, участник исследовательской группы.

Детали

Детали метода изложены сразу в четырёх научных статьях, опубликованных в издании Astrophysical Journal.

В первой публикации авторы рассматривают в качестве охлаждающего дневную сторону "вентилятора" ветры, дующие между полушариями. По их расчётам, этот механизм переноса тепла будет хорошо работать в плотной атмосфере, такой как земная.

Во второй работе исследуется ещё одна возможность. В тонкой газовой оболочке, такой как марсианская, даже очень сильный ветер из тёмного полушария не будет эффективно охлаждать дневную поверхность.

Но и в такой атмосфере могут быть облака, хорошо отражающие лучи звезды обратно в космос, и это ещё один возможный механизм охлаждения. По расчётам авторов, если температура на дневной стороне будет составлять 150–1000 °C и при этом обнаружится его высокая отражательная способность, это однозначно будет указывать на наличие "зеркальных" облаков.

В третьей статье рассматривается вопрос, можно ли с помощью таких наблюдений определить состав атмосферы. Авторы взяли в качестве примера планеты TRAPPIST-1 b, GJ 1132 b и LHS 3844 b. Они рассмотрели три предельных случая: газовую оболочку из чистого водяного пара, чистого углекислого газа и с химическим составом, аналогичным солнечному. Получилось, что для GJ 1132 b и LHS 3844 b эти варианты можно было бы отличить друг от друга до данным "Уэбба".

В четвёртом исследовании моделируется перенос тепла на экзопланете с учётом её температуры, атмосферного давления и проницаемости газовой оболочки для инфракрасных лучей.

В целом нельзя сказать, что новый метод, даже если он окажется успешным, полностью вытеснит традиционные подходы. Скорее, он станет ещё одним инструментом в арсенале астрономов, изучающих далёкие миры.

К слову, ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) писали о планете, в атмосфере которой железо от невыносимого жара распадается на атомы, и о мире без единого облачка.