Как учёные определяют состав атмосферы экзопланет
Состав атмосферы экзопланеты можно определить по свету, который проходит через её газовую оболочку или излучается самой планетой. Разные вещества по-своему поглощают и испускают электромагнитное излучение, оставляя характерные особенности в спектре. Изучая их с помощью телескопов и спектрографов, астрономы обнаруживают водяной пар, углекислый газ, метан и другие соединения на планетах, расположенных за десятки и сотни световых лет от Земли.
Для этого не обязательно видеть саму планету на отдельном изображении. В большинстве случаев исследователи наблюдают звезду и измеряют едва заметные изменения её света, вызванные движением планеты по орбите. Современные приборы позволяют обнаруживать различия в яркости, составляющие лишь тысячные и даже десятитысячные доли процента.
Как можно исследовать атмосферу далёкой планеты
Наблюдать экзопланеты значительно сложнее, чем планеты Солнечной системы. Они находятся далеко от Земли и обычно теряются в ярком свете своих звёзд. Даже мощные телескопы в большинстве случаев не позволяют рассмотреть их поверхность или облака непосредственно.
Тем не менее атмосфера влияет на свет, который попадает к наблюдателю. Некоторые молекулы поглощают определённые длины волн, а нагретые газы сами испускают излучение, зависящее от температуры и химического состава.
Именно на этих свойствах основан спектральный анализ. Телескоп собирает излучение, а спектрограф разделяет его по длинам волн. Полученные измерения позволяют установить, какие вещества могли повлиять на наблюдаемый свет.
Анализ атмосферы обычно начинается после того, как планета уже обнаружена и определены основные характеристики её орбиты. Для поиска таких объектов применяют различные методы обнаружения экзопланет, в том числе наблюдение за периодическим уменьшением яркости звезды.
Что такое спектроскопия и почему она позволяет обнаруживать газы
Атомы и молекулы поглощают и испускают излучение на определённых длинах волн. Это связано со строением вещества и энергетическими состояниями его частиц.
Например, молекулы воды взаимодействуют с инфракрасным излучением иначе, чем молекулы углекислого газа или метана. В спектре каждого вещества возникают характерные участки поглощения, по которым его можно распознать.
Подобный принцип давно используется в лабораториях для определения химического состава газов и жидкостей. Астрономы применяют его к свету далёких небесных тел, хотя в этом случае сигнал гораздо слабее, а условия измерений значительно сложнее.
Особенно информативен инфракрасный диапазон. В нём находятся заметные полосы поглощения многих молекул, представляющих интерес для исследования планетных атмосфер.
Однако одного изменения яркости на определённой длине волны недостаточно, чтобы уверенно назвать вещество. Исследователи сопоставляют сразу несколько участков спектра, оценивают погрешности и проверяют, не могли ли наблюдаемые особенности возникнуть по другой причине.
Как изучают атмосферу во время прохождения планеты перед звездой
Один из основных методов исследования экзопланетных атмосфер называется транзитной спектроскопией. Он применяется, когда орбита планеты расположена таким образом, что с Земли можно наблюдать её прохождение перед диском звезды.
Во время такого прохождения планета закрывает небольшую часть звёздного света, вызывая временное уменьшение яркости. Если у неё есть атмосфера, часть излучения проходит через её верхние слои по краям видимого диска.
Газовая оболочка поглощает свет неодинаково на разных длинах волн. Поэтому глубина падения яркости немного меняется в зависимости от участка спектра.
Почему планета кажется немного больше на некоторых длинах волн
На тех длинах волн, где атмосферные газы особенно сильно поглощают излучение, планета перекрывает больше звёздного света. В результате её измеренный размер оказывается немного больше, чем на участках спектра со слабым поглощением.
Разница может быть чрезвычайно небольшой. Но если точно измерить яркость звезды до прохождения планеты, во время него и после, можно выделить влияние атмосферных газов.
Такой набор измерений называют спектром пропускания. Именно он позволяет определять химические соединения, присутствующие в верхних слоях атмосферы, и оценивать их содержание.
Важна и продолжительность наблюдений. Например, в 2022 году космический телескоп «Джеймс Уэбб» наблюдал систему WASP-96 в течение 6,4 часа. Полученный спектр атмосферы WASP-96 b показал присутствие водяного пара, а также признаки облаков и атмосферной дымки.
Как определяют количество веществ в атмосфере
Обнаружение молекулы — только часть исследования. Астрономы также стремятся оценить её концентрацию и установить, как распределяются температура и давление в газовой оболочке.
Для этого используют компьютерные модели атмосфер. Программы рассчитывают, какой спектр должна создавать планета с определённым составом газов, температурой, облачностью и другими параметрами.
Затем модельные спектры сравнивают с наблюдениями. Изменяя исходные характеристики, исследователи находят сочетания параметров, которые лучше всего объясняют полученные данные.
Однако разные атмосферы иногда способны создавать похожие спектры. Например, увеличение концентрации определённого газа может влиять на глубину полос поглощения примерно так же, как изменение облачности или температуры.
Поэтому результаты обычно представляют не в виде одного абсолютно точного значения, а как диапазон возможных концентраций с указанием неопределённости. Чем больше качественных наблюдений получено, тем уже может становиться этот диапазон.
Как исследуют тепловое излучение экзопланеты
Транзитная спектроскопия подходит не для всех планет. Если с Земли экзопланета не проходит перед своей звездой, использовать этот метод невозможно.
Кроме того, существуют способы изучать излучение самой планеты. Один из них основан на наблюдении вторичного затмения — момента, когда экзопланета скрывается за звездой.
Перед затмением телескоп регистрирует совместное излучение звезды и планеты. Когда планета оказывается за звездой, её вклад исчезает. Разница между двумя измерениями позволяет оценить свет, исходивший от планеты.
Особенно полезны такие наблюдения в инфракрасном диапазоне, поскольку нагретые планеты испускают тепловое излучение.
Его интенсивность и распределение по длинам волн помогают определить температуру освещённого полушария. Спектральные особенности при достаточной точности измерений также позволяют исследовать атмосферные газы.
Что удалось узнать о планете TRAPPIST-1 b
В 2023 году телескоп «Джеймс Уэбб» измерил тепловое излучение каменистой экзопланеты TRAPPIST-1 b. Она входит в систему из семи известных планет, обращающихся вокруг небольшого красного карлика примерно в 40 световых годах от Земли.
Наблюдения проводились в среднем инфракрасном диапазоне на длине волны около 15 микрометров. Измерения соответствовали температуре дневной стороны приблизительно +230 °C.
Полученный результат оказался близок к расчётам для планеты без существенной атмосферы, которая могла бы эффективно переносить тепло на ночную сторону. Он стал одним из первых важных примеров определения температуры каменистой экзопланеты по её собственному излучению.
Этот метод отличается от транзитной спектроскопии: исследователи измеряют не поглощение звёздного света атмосферой, а излучение, связанное с температурой планеты.
Что удалось обнаружить в атмосфере WASP-39 b
Одним из наиболее показательных результатов исследований с помощью телескопа «Джеймс Уэбб» стало изучение WASP-39 b — горячего газового гиганта, расположенного примерно в 700 световых годах от Земли.
Планета обращается очень близко к своей звезде, совершая полный оборот примерно за четыре земных суток. Высокая температура и протяжённая атмосфера делают её удобным объектом для спектроскопических наблюдений.
В 2022 году несколько приборов телескопа получили подробные спектры WASP-39 b в видимом и инфракрасном диапазонах. Анализ позволил обнаружить водяной пар, углекислый газ, угарный газ, соединения натрия и калия, а также диоксид серы.
Особенно важным стало обнаружение диоксида серы. Его присутствие помогло установить, что в атмосфере протекают фотохимические реакции — химические превращения под действием излучения звезды.
Это позволило перейти от простого определения состава газовой оболочки к изучению происходящих в ней процессов. Более подробные сведения об исследовании атмосферы WASP-39 b показывают, как спектроскопия помогает восстанавливать историю формирования планеты.
Сопоставляя относительное содержание углерода, кислорода и других элементов, исследователи могут также проверять предположения о том, где и при каких условиях образовалась планета.
Можно ли обнаружить облака в атмосфере экзопланеты
Облака не только влияют на климат, но и заметно изменяют спектр планеты. Их присутствие способно ослаблять признаки газов, расположенных ниже облачного слоя.
Если верхние слои атмосферы закрыты плотными облаками, звёздный свет не проходит через более глубокие области. В результате характерные полосы поглощения некоторых веществ оказываются слабее ожидаемых.
По форме спектра можно оценивать наличие облаков и атмосферной дымки. Иногда удаётся установить даже предполагаемый состав частиц.
Например, при исследовании горячего газового гиганта WASP-17 b были получены свидетельства присутствия кристаллического диоксида кремния в облаках. Спектральная особенность около 8,6 микрометра соответствует поглощению излучения такими частицами.
Это существенно расширяет представления о погоде на других планетах. В зависимости от температуры и химического состава их облака могут состоять не только из воды, как на Земле, но и из веществ, которые в привычных нам условиях являются твёрдыми минералами.
Можно ли изучать атмосферу планеты без транзита
Некоторые экзопланеты удаётся наблюдать непосредственно, отделяя их слабое излучение от значительно более яркого света звезды. Для этого применяют специальные оптические устройства — коронографы, которые подавляют часть звёздного света.
Такие наблюдения особенно подходят для крупных молодых планет, находящихся сравнительно далеко от своих звёзд. Они ещё сохраняют тепло после формирования и могут быть достаточно яркими в инфракрасном диапазоне.
Если света от планеты хватает для спектрального анализа, можно исследовать поглощение и излучение её атмосферы. Однако даже в этом случае телескоп обычно не показывает подробную картину облачного покрова или поверхности.
Ещё один способ заключается в наблюдении за изменением яркости системы в течение полного оборота планеты. Когда наблюдателю становятся видны разные части её освещённого полушария, меняется и вклад планеты в общее излучение.
Из таких измерений можно восстановить примерное распределение температуры. Для отдельных горячих газовых гигантов астрономы уже смогли исследовать различия между дневной и ночной сторонами и получить сведения об атмосферной циркуляции.
Почему исследовать небольшие каменистые планеты труднее
Газовые гиганты обычно имеют большие размеры и протяжённые атмосферы. Это увеличивает количество звёздного света, проходящего через их газовую оболочку, и облегчает обнаружение спектральных особенностей.
У каменистых планет земного размера атмосфера, как правило, занимает значительно меньшую область относительно размеров планеты. Поэтому сигнал, который требуется выделить, оказывается гораздо слабее.
Дополнительную сложность создают облака, химический состав и атмосферное давление. Плотная газовая оболочка из тяжёлых молекул может давать менее заметный спектральный сигнал, чем протяжённая атмосфера, богатая водородом.
Особенно трудно исследовать прохладные планеты, обращающиеся вокруг звёзд, похожих на Солнце. Их транзиты происходят сравнительно редко, а доля света, поглощаемого атмосферой, чрезвычайно мала.
В этом отношении небольшие красные карлики удобнее: планета земного размера закрывает относительно большую часть их диска. Но высокая звёздная активность создаёт другие препятствия для наблюдений.
Как звёздные пятна могут исказить результаты измерений
Поверхность звезды не всегда излучает одинаково. На ней могут существовать более холодные пятна и яркие активные области, спектры которых отличаются от спектра остальной поверхности.
Когда планета проходит перед такой звездой, изменения яркости могут быть связаны не только с её атмосферой. Неоднородность звёздной поверхности способна создавать особенности, похожие на признаки поглощения некоторых газов.
Эта проблема особенно заметна при исследовании планет системы TRAPPIST-1. Их звезда отличается высокой активностью, а слабые атмосферные сигналы трудно отделить от изменений собственного излучения светила.
В результате исследования атмосферы TRAPPIST-1 e пока не позволили достоверно установить её наличие и состав. Вместе с тем полученные спектры ограничивают некоторые возможные варианты строения газовой оболочки, в частности не подтверждают существование плотной атмосферы с преобладанием водорода.
Для устранения подобных неопределённостей астрономы проводят повторные наблюдения и одновременно изучают активность звезды. Иногда для проверки слабого сигнала требуется собрать данные о множестве прохождений планеты.
Какие вещества ищут в атмосферах потенциально обитаемых планет
При исследовании каменистых экзопланет особое внимание уделяют водяному пару, углекислому газу, метану, кислороду и озону. Каждый из этих газов может рассказать о физических и химических процессах, происходящих на планете.
Водяной пар позволяет изучать особенности атмосферы, но не является прямым доказательством существования океанов. Он может присутствовать и в очень горячих газовых оболочках планет, поверхность которых непригодна для жидкой воды.
Углекислый газ важен для оценки парникового эффекта. Его концентрация вместе с атмосферным давлением и количеством поступающей энергии влияет на температуру поверхности.
Кислород, метан и некоторые другие вещества интересуют исследователей как возможные признаки биологической активности. Однако многие соединения способны образовываться и без участия живых организмов.
Поэтому поиск биосигнатур в атмосферах экзопланет связан с изучением не отдельных газов, а их сочетаний и возможных источников. Особенно важны случаи, когда наблюдаемый химический состав трудно объяснить известными геологическими и фотохимическими процессами.
Что мешает учёным точно определить состав атмосферы
Главная трудность заключается в слабости сигнала. Свет звезды может превосходить излучение планеты во много тысяч и даже миллионов раз, а атмосферные особенности составляют лишь небольшую часть измеряемого потока.
Приборы также имеют собственные ограничения. На результаты влияют чувствительность детекторов, точность калибровки, выбранный спектральный диапазон и продолжительность наблюдений.
Не менее важны особенности самой планеты. Температура, давление, облака и различные химические вещества могут изменять спектр одновременно, затрудняя его однозначную интерпретацию.
Поэтому для надёжного вывода исследователи стараются использовать несколько независимых измерений. Наблюдения на разных длинах волн и сравнение нескольких моделей помогают отличать реальные свойства атмосферы от случайных отклонений и инструментальных эффектов.
Как будут исследовать атмосферы экзопланет в будущем
Дальнейший прогресс связан с созданием телескопов, способных собирать больше света и точнее отделять излучение планет от света их звёзд.
Космический телескоп «Джеймс Уэбб» уже показал, насколько подробными могут быть спектры атмосфер газовых гигантов. Для небольших каменистых планет задача остаётся намного сложнее, поэтому особое значение приобретают длительные наблюдения и совершенствование методов обработки данных.
Важным направлением станет развитие инструментов для непосредственного наблюдения экзопланет. Более эффективное подавление звёздного света позволит исследовать объекты, которые трудно изучать транзитным методом.
Большие наземные телескопы также смогут вносить вклад в изучение состава атмосфер. Их спектрографы высокого разрешения способны искать слабые спектральные особенности, используя в том числе изменения скорости планеты относительно наблюдателя.
Со временем такие исследования позволят сравнивать атмосферы планет разных размеров, температур и возрастов. Астрономы смогут выяснять, как формируются газовые оболочки, почему одни планеты сохраняют их миллиарды лет, а другие теряют, и как меняется климат под действием излучения звезды.
Уже сегодня спектроскопия позволяет изучать химические процессы на планетах, находящихся за сотни световых лет от Земли. По мере накопления наблюдений отдельные сведения о составе газов и температуре будут складываться в более подробную картину устройства далёких миров, их происхождения и эволюции.