Астрономы предлагают новый способ обнаружения атмосферы у каменистых планет

Когда запустят космический телескоп НАСА имени Джеймса Уебба в 2021 году, одним из наиболее ожидаемых вкладов в астрономию будет изучение экзопланет - планет, вращающихся вокруг далеких звезд. Команда астрономов предлагает новый способ использования Уэбба для определения наличия атмосферы у скалистой экзопланеты. Способ включает в себя измерение температуры планеты, когда она проходит за звездой, а затем возвращается в поле зрения, и работает значительно быстрее, чем более традиционные методы обнаружения атмосферы.

«Мы считаем, что Уэбб сможет легко определить наличие или отсутствие атмосферы вокруг дюжины известных скалистых экзопланет, наблюдая за планетой всего по 10 часов», - сказал Джейкоб Бин из Чикагского университета.

Астрономы особенно интересуются экзопланетами, вращающимися вокруг красных карликов по ряду причин. Эти звезды меньше и холоднее Солнца и являются наиболее распространенным типом звезд в нашей галактике. Кроме того, поскольку красный карлик маленький, проходящая перед ним планета блокирует большую часть света звезды, чем если бы звезда была больше, как наше Солнце. Это облегчает обнаружение планеты, вращающейся вокруг красного карлика, с помощью транзитного метода.

Красные карлики производят намного меньше тепла, чем Солнце, поэтому для того, чтобы поддерживать должную температуру, планета должна вращаться достаточно близко к звезде. Фактически, чтобы быть в пригодной для жизни зоне - области вокруг звезды, где жидкая вода могла бы существовать на поверхности планеты - планета должна вращаться намного ближе к звезде, чем Меркурий к Солнцу. В результате она будет проходить звезду чаще, что облегчает повторные наблюдения.

Но планета, которая вращается так близко к красному карлику, подвергается суровым условиям. Молодые красные карлики очень активны, создают огромные вспышки и извержения плазмы. Звезда также испускает сильный ветер заряженных частиц. Все эти эффекты могут потенциально вычистить атмосферу планеты, оставив за собой голую скалу.

«Атмосферные потери - это существенная угроза обитаемых планет номер один», - сказал Бин.

Еще одна ключевая характеристика экзопланет, вращающихся рядом с красными карликами, является главной для нового способа: ожидается, что они будут с постоянными дневной и ночной стороной. В результате мы увидим разные фазы планеты в разных точках ее орбиты. Когда она пересекает звезду, мы видим только ночную сторону планеты. Но когда она собирается пересечь звезду или только выходит из-за звезды, мы сможем наблюдать дневную сторону.

Если скалистой экзопланете не хватает атмосферы, ее дневная сторона будет очень горячей, как мы видим на Луне или Меркурии. Если у скалистой экзопланеты есть атмосфера, ожидается, что присутствие этой атмосферы понизит дневную температуру, которую измерит Уэбб. Густая атмосфера может переносить тепло с дневной на ночную сторону через ветер. Более тонкая атмосфера все еще может содержать облака, которые отразят часть входящего света, тем самым понижая температуру дневного света планеты.

«Всякий раз, когда добавляется атмосфера, понижается температура дневного света. Поэтому, если мы увидим нечто более прохладное, чем голый камень, мы сделаем вывод, что это признак атмосферы», - объяснил Дэниел Колл из Массачусетского технологического института (MIT).

Уэбб идеально подходит для проведения этих измерений, потому что у него гораздо большее зеркало, чем у других телескопов, таких как «Хаббл» или «Спитцер», что позволяет ему собирать больше света и может нацеливаться на соответствующие длины волн инфракрасного излучения.

Расчеты команды показывают, что Уэбб должен быть в состоянии обнаружить тепловую сигнатуру атмосферы планеты за одно-два вторичных затмения - всего за несколько часов наблюдения. Сейчас обнаружение атмосферы с помощью спектроскопических наблюдений обычно требует восьми или более транзитов для этих же планет.

Трансмиссионная спектроскопия, которая изучает звездный свет, отфильтрованный через атмосферу планеты, также страдает от помех из-за облаков или дымок, которые могут маскировать молекулярные сигнатуры атмосферы. В этом случае спектральная диаграмма, вместо того, чтобы показывать явные линии поглощения из-за молекул, была бы плоской.

«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, потому что мешают облака», - сказала Элиза Кемптон из Университета Мэриленда. «Атмосфера экзопланет без облаков и дымки подобна единорогам - мы просто еще не видели их, и они могут вообще не существовать».

Команда подчеркнула, что более низкая, чем ожидалось, дневная температура была бы важной подсказкой, но это не может полностью подтвердить существование атмосферы. Любые оставшиеся сомнения в наличии атмосферы могут быть исключены с помощью последующих исследований с использованием других методов.

Истинная сила нового способа заключается в определении того, какая часть скалистых экзопланет имеет атмосферу. Приблизительно дюжина экзопланет, которые являются хорошими кандидатами для этого метода, были обнаружены в течение прошлого года. Вероятно, к тому времени, когда Уэбб заработает, будут обнаружены еще.

Космический телескоп Джеймса Уебба станет первой в мире обсерваторией космической науки, когда его запустят в 2021 году. Уебб будет разгадывать загадки в нашей Солнечной системе, заглядывать в далекие миры вокруг других звезд, исследовать таинственные структуры и происхождение нашей Вселенной и нашего места в ней. Уебб - международный проект, возглавляемый НАСА, Европейским космическим агентством (ESA) и Канадским космическим агентством.