Главное — атмосфера: что рассказал «Джеймс Уэбб» о потенциально обитаемых экзопланетах

Инфракрасные камеры телескопа «Джеймс Уэбб» внесли неоценимый вклад в изучение атмосферы экзопланет, которые вращаются вокруг тусклых звезд M-типа. На очереди — изучение планетарных систем солнцеподобных желтых карликов.

Дмитрий ПавловАвтор Hi-Tech Mail

Поиск потенциально пригодных для жизни каменистых планет в нашей галактике на протяжении десятилетий был для исследователей подобием Святого Грааля для рыцарей Круглого стола. Несмотря на то, что открытие более 5900 экзопланет в более чем 4400 планетных системах стало замечательным достижением, лишь небольшая часть из них (217) была подтверждена как планета земного типа, состоящая из твердых соединений кремния.

Кроме того, получить точную информацию об атмосфере каменистой экзопланеты очень сложно, поскольку потенциально пригодные для жизни планеты намного меньше газовых гигантов и, как правило, вращаются ближе к родительским звездам. За примерами далеко ходить не надо, достаточно взглянуть на родную Солнечную систему. Первые четыре планеты, именуемые Земной группой, являются каменистыми, следующие четыре — газовыми, причем радиус самой маленькой газовой планеты Нептуна в 3,87 раза больше радиуса самой большой каменистой планеты Земля.

Благодаря приборам нового поколения, таким как космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST), исследования экзопланет переходят от открытия к определению характеристик экзопланет. Однако вокруг каменистых планет пока не было четко определено наличие атмосферы, и атмосферные данные, собранные аппаратом на данный момент, окутаны дымкой неопределенности.

Краткое изложение выводов, сделанных на основании наблюдений, было представлено в недавнем исследовании ученых из Института астрономии Макса Планка и Лаборатории прикладной физики Университета Джона Хопкинса. Статья «Первый взгляд на каменистые экзопланеты глазами JWST», недавно была опубликована на сервере препринтов arXiv и находится на рассмотрении для публикации в Трудах Национальной академии наук.

Команда космической обсерватории «Джеймс Уэбб» добилась ряда впечатляющих успехов благодаря передовому набору чувствительной инфракрасной оптики с высоким разрешением в сочетании с коронографами и спектрометрами. Это самые точные спектры пропускания для планет земного типа на сегодняшний день и для обнаружения инфракрасного теплового излучения, исходящего как минимум от полудюжины скалистых планет. JWST способен воспринимать тепловое излучение объектов с температурой поверхности всего в 100 градусов Цельсия, тогда как прежние средства наблюдения имели нижний предел чувствительности в +800°С.

Благодаря наблюдениям «Джеймса Уэбба» стало возможно прогнозирование атмосферных свойств каменистых планет. Это особенно верно для тех небесных тел, которые вращаются вокруг красных карликов М-типа, на долю которых приходится 80% звезд Млечного Пути.

Атмосфера может формироваться под воздействием многих физических факторов, включая летучие элементы, доставляемые кометами и астероидами, потерю части атмосферы, инверсию внутренних слоев атмосферы и биологические процессы на поверхности планет. Процесс рассеивания атмосферных газов в космосе особенно важен для определения потенциальной обитаемости планет.

Среди астрономов стала популярна концепция «космической береговой линии» как основа для определения того, какие планеты с большей вероятностью имеют атмосферу. Чем массивнее планета и, соответственно, чем выше для нее значение второй космической скорости, тем у нее больше шансов сохранить газовую оболочку. Также важен уровень облучения со стороны материнской звезды. Легкий и находящийся рядом с Солнцем Меркурий полностью лишен атмосферы, а на сравнимой по массе с Землей Венере атмосфера плотнее земной.

Однако до сих пор неизвестно, как влияет на эту «береговую линию» тип звезды и история ее излучения. Между тем, звезды «пенсионного возраста» подвергают свои планеты более высокому уровню радиации, особенно поздние звезды М-типа. Фаза яркого ультрафиолета, смертельного как для атмосферы, так и для всего живого, может длиться у них 6 млрд лет.

По мнению авторов статьи, основной задачей поиска потенциально обитаемых планет станет обнаружение там атмосферных явлений, сходных с земными. Самым крупным спектральным элементом в атмосфере Земли является углекислый газ, и он охватывает около пяти масштабных высот (единица измерения, которую астрономы используют для обозначения типичной вертикальной протяженности атмосферы). Но пока что данные недостаточно точны, чтобы достоверно определить спектр CO2 в атмосфере экзопланет, поэтому необходимы дополнительные наблюдения.

Благодаря большой апертуре, стабильности и диапазону длин волн от ближнего до среднего инфракрасного диапазона телескопа JWST астрономы теперь могут обнаруживать слабые сигналы таких летучих элементов, как вода (H2O),  метан (CH4), аммиак (NH3), монооксид углерода (CO) и других. Вероятно, скоро астрономы смогут получать спектры пропускания и излучения каменистых экзопланет, вращающихся вокруг звезд М-типа, во время планетарных транзитов и затмений.

К сожалению, «Джеймс Уэбб» не способен изучать атмосферы земных аналогов вокруг солнцеподобных звезд G-типа, которые ярче M-карликов в инфракрасном диапазоне. Миссии следующего поколения, такие как Обсерватория обитаемых миров (HWO), смогут делать это с помощью прямых оптических наблюдений.

С помощью JWST мы уже достигли значительного прогресса в понимании того, какие каменистые планеты могут иметь атмосферу. Это важный первый шаг, задолго до того, как мы перейдем к биосигнатурам. Нам нужно научиться ходить, прежде чем мы сможем бегать.Лора Крайдбергисследователь

При всем уважении к искателям экзопланет, основной задачей телескопа «Джеймс Уэбб» остается исследование далеких галактик. Читайте об этом в материале Hi-Tech Mail.

• космос

Поделиться