Астрономы предлагают новый метод поиска атмосферы на каменистых планетах

Когда космический телескоп НАСА, названый в честь Джеймса Уэбба, запустят в 2021 году, одним из наиболее ожидаемых вкладов в астрономию будет изучение им экзопланет - планет, вращающихся вокруг далеких звезд. Один из самых насущных вопросов в науке о экзопланетах: может ли небольшая скалистая экзопланета, вращающаяся рядом со звездой красного карлика, удерживать атмосферу?

В серии из четырех статей в Astrophysical Journal команда астрономов предлагает новый метод использования Уэбба для определения наличия атмосферы на скалистой экзопланете. Техника, которая включает в себя измерение температуры планеты, когда она проходит за звездой, а затем возвращается в поле зрения, значительно быстрее, чем более традиционные методы обнаружения атмосферы, такие как просвечивающая спектроскопия.

«Мы находим, что Уэбб мог бы легко определить наличие или отсутствие атмосферы у дюжины известных нам скалистых экзопланет, тратя всего по 10 часов на каждую экзопланету», - сказал Джейкоб Бин из Чикагского университета, соавтор трех статей.

Астрономы особенно интересуются экзопланетами, вращающимися вокруг звезд красного карлика по ряду причин. Эти звезды, которые меньше и холоднее Солнца, являются наиболее распространенным типом звезд в нашей галактике. Поскольку красный карлик довольно мал, проходящая перед ним планета, по-видимому, блокирует большую часть света звезды. Это делает планету, вращающуюся вокруг красного карлика, более обнаружимой, благодаря помощи этой техники "транзита".

Красные карлики также производят намного меньше тепла, чем наше Солнце, поэтому, чтобы наслаждаться обитаемыми температурами, планета должна вращаться достаточно близко к звезде красного карлика. Фактически, чтобы быть в обитаемой зоне - области вокруг звезды, где на поверхности планеты может существовать вода - планета должна вращаться гораздо ближе к звезде, чем Меркурий к Солнцу. В результате он будет проходить рядом со звездой чаще, что облегчает повторные наблюдения.

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

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

Еще одна ключевая характеристика экзопланет, вращающихся рядом с красными карликами, является основной проблемой для новой техники: ожидается, что они будут приливно-отливными, что означает, что они будут иметь постоянную дневную или же темную сторону. В результате мы видим разные фазы планеты в разных точках ее орбиты. Когда он пересекает поверхность звезды, мы видим только темную сторону планеты. Но когда он собирается пересечь звезду (событие, известное как вторичное затмение) или только что выходит из-за звезды, мы можем наблюдать дневную сторону.

Если скалистой экзопланете не хватает атмосферы, ее дневная сторона будет очень горячей, что мы наблюдаем на Луне или Меркурии. Однако если у скалистой экзопланеты есть атмосфера, ожидается, что присутствие этой атмосферы понизит дневную температуру, которую измерял бы Уэбб. Это может быть сделано двумя способами. Густая атмосфера могла переносить тепло от дневной до ночной стороны через ветра. Более тонкая атмосфера все еще может содержать облака, которые отражают часть входящего звездного света, тем самым понижая температуру дневного света планеты.

«Всякий раз, когда вы добавляете атмосферу, вы понижаете температуру дневного света. Поэтому, если мы увидим что-то лучше, чем голую скалу, мы сделаем вывод, что это, вероятно, признак атмосферы», - объяснил Дэниел Колл из Массачусетского технологического института (MIT), ведущий автор двух работ.

Уэбб идеально подходит для проведения этих измерений, потому что у него гораздо большее зеркало, чем у других телескопов, таких как космические телескопы НАСА "Хаббл" или "Спитцер", что позволяет ему собирать больше света, а также он 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 несколько часов наблюдения. Напротив, 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 по существу 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, имеющих целый ряд разнообразных, интересных атмосфер, но все они выглядят одинаково для нас, потому что они облачные», - сказала Элиза Кемптон из Университета Мэриленда, соавтор трех докладов.

«Атмосфера экзопланет без облаков и дымки подобна единорогам - мы просто еще не видели их, и они могут вообще не существовать», - добавила она.

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

Истинная сила новой техники заключается в определении того, какая часть скалистых экзопланет, вероятно, имеет атмосферу. Приблизительно дюжина экзопланет, которые являются хорошими кандидатами для этого метода, были обнаружены в течение прошлого года. Более точная информация по поводу их существования, будет найдена позже, когда Уэбб заработает.

«Транзитный обзорный спутник экзопланет, или, иначе говоря, TESS, находит кучки подобных планет», - заявил Кемптон.

У метода вторичного затмения есть одно ключевое ограничение: он лучше всего работает на планетах, которые очень горячи, чтобы находиться в обитаемой зоне. Однако определение того, являются ли эти горячие планеты хозяевами атмосфер, имеет важные последствия для планет обитаемой зоны.

«Если горячие планеты могут удерживать атмосферу, то более холодные тоже должны уметь это делать», - сказал Колл.

Космический телескоп Джеймса Уэбба станет первой в мире обсерваторией космической науки, когда он запустится в 2021 году. Уэбб будет разгадывать загадки в нашей солнечной системе, заглядывать в далекие миры вокруг других звезд и исследовать загадочные структуры и происхождение нашей вселенной и нашего места обитания в этом огромном и обширном мире. Webb - международный проект, возглавляемый НАСА и его партнерами, Европейским космическим агентством (ESA) и Канадским космическим агентством.

Источник