Будущий телескоп NASA сможет искать океаны на экзопланетах по солнечным бликам

Будущая космическая обсерватория NASA Habitable Worlds Observatory сможет искать жидкие океаны на землеподобных экзопланетах по характерному блеску света, отражённого их поверхностью. Моделирование показало, при каких условиях такой сигнал можно будет отличить от обычного отражения света атмосферой, облаками и поверхностью планеты. Для надёжного обнаружения океанического блика планету потребуется наблюдать преимущественно в фазе серпа, когда угол между направлениями на звезду и наблюдателя с точки зрения планеты достигает примерно 120° или больше.

Исследование провели Элеонор Корниш и Тайлер Робинсон из Аризонского университета. Они изучили возможности Habitable Worlds Observatory — разрабатываемой NASA концепции космического телескопа следующего поколения, одной из основных задач которого станет непосредственное получение изображений потенциально землеподобных планет возле других звёзд и исследование их атмосфер. В отличие от транзитного метода, будущая обсерватория должна отделять чрезвычайно слабый свет самой планеты от гораздо более яркого света её звезды.

Одной из наиболее сложных задач при поиске потенциально обитаемых миров остаётся определение наличия жидкой воды непосредственно на поверхности. Водяной пар в атмосфере ещё не доказывает существование океана. Авторы новой работы исследовали другой возможный признак — океанический блик, возникающий при зеркальном отражении света звездой от жидкой поверхности.

Подобный эффект хорошо знаком по Земле: солнечный свет, отражающийся от поверхности моря или океана под определённым углом, образует яркую область. Чем более скользящим становится угол падения света, тем сильнее зеркальное отражение от воды. Поэтому на далёкой экзопланете океанический блик должен становиться особенно заметным, когда планета наблюдается не полностью освещённой, а в фазе серпа. Модели показывают, что при некоторых длинах волн такой эффект способен более чем вдвое увеличить видимую яркость Земли.

Сам принцип уже имеет наблюдательное подтверждение внутри Солнечной системы. Отражённые блики использовались для обнаружения жидких углеводородных морей на Титане, крупнейшем спутнике Сатурна. Однако применить тот же принцип к экзопланете намного сложнее: даже будущие мощные телескопы в большинстве случаев не смогут рассмотреть её поверхность как отдельный диск, поэтому информацию об океане придётся извлекать из суммарного света всего мира.

Корниш и Робинсон использовали компьютерную модель, которая рассчитывает, как атмосфера и поверхность планеты влияют на отражённый свет. Учёные добавили в неё эффект зеркального отражения света от океана, после чего смоделировали спектры землеподобной планеты, полностью покрытой водой, такими, какими их могла бы получить будущая обсерватория Habitable Worlds Observatory. Затем исследователи сравнили результаты для планеты с океаническим бликом и без него, чтобы определить, при какой точности наблюдений телескоп сможет надёжно различить эти два сценария.

Моделирование охватывало фазовые углы от 90° до 150° с шагом 10°, а отношение сигнал/шум менялось от 5 до 25. Результат показал достаточно чёткую границу: примерно при 120° и выше модель с океаническим бликом становилась предпочтительнее модели без него во всём исследованном диапазоне качества данных. Более высокое отношение сигнал/шум позволяет обнаруживать эффект при несколько меньших фазовых углах, однако именно область около 120° оказалась ключевой для устойчивого выявления сигнала.

Причина связана не только с увеличением общей яркости. При больших фазовых углах меняется форма отражённого спектра планеты. Свет проходит более длинный путь через атмосферу, а рэлеевское рассеяние сильнее удаляет коротковолновую часть излучения. В результате океанический блик приобретает характерное усиление в красной части спектра. В моделях при фазовом угле около 120° различия между спектрами с бликом и без него составляли примерно 10–20%.

Авторы отдельно проверили, насколько реалистичны такие наблюдения для будущей обсерватории. Для аналога системы Земля — Солнце на расстоянии 10 парсек, или примерно 32,6 светового года, максимальное видимое угловое расстояние между планетой и звездой составляет около 100 миллисекунд дуги. При фазовом угле 120° оно уменьшается примерно до 86,6 миллисекунды дуги. Расчёты показывают, что предполагаемый телескоп диаметром около 6 метров в принципе сможет работать с такой геометрией при подходящих характеристиках системы подавления света звезды.

Однако результат пока нельзя интерпретировать как доказательство того, что Habitable Worlds Observatory гарантированно обнаружит океаны на других планетах. В моделировании использовался идеализированный мир, полностью покрытый водой. Авторы отмечают, что для настоящей Земли такое предположение завышает усреднённый вклад блика примерно на 10–30%, причём точная величина зависит от геометрии наблюдений. Облака, континенты и аэрозоли также способны усложнять интерпретацию сигнала.

Есть и геометрическое ограничение. Чтобы увидеть сильный океанический блик, орбита экзопланеты должна быть ориентирована таким образом, чтобы телескоп мог наблюдать её при достаточно большом фазовом угле. Если система видна почти «сверху» относительно плоскости орбиты, необходимые фазы серпа вообще не будут доступны. Кроме того, при приближении планеты на небе к своей звезде телескопу становится всё сложнее отделить их свет.

Несмотря на эти ограничения, океанический блик может стать одним из немногих способов получить прямое свидетельство существования крупного резервуара жидкости на поверхности экзопланеты. Это принципиально отличается от обнаружения водяного пара: совместное изучение атмосферы и отражения от поверхности позволит значительно увереннее оценивать пригодность далёкого мира для известных нам форм жизни.

Полученные результаты также могут повлиять на технические требования к Habitable Worlds Observatory. Если поиск океанов станет одной из целей миссии, телескопу необходимо будет наблюдать потенциальные аналоги Земли при больших фазовых углах и одновременно отделять чрезвычайно слабое излучение планеты от света расположенной рядом звезды. Авторы считают, что определённая ими граница около 120° может использоваться при разработке стратегии наблюдений и характеристик будущей обсерватории.

Следующим этапом станет создание более реалистичных моделей планет, где океаны будут соседствовать с материками, различными типами облаков и аэрозолями. Дополнительным способом подтверждения жидкой поверхности может стать поляризация отражённого света. Совмещение нескольких независимых признаков позволит снизить вероятность того, что за океан будет ошибочно принят другой атмосферный или поверхностный эффект.

Исследование представлено в виде препринта на arXiv.