Ученый моделирует атмосферу экзопланеты

В поисках жизни за пределами нашей галактики, многие ученые обратили свой взор к сферам, подобным Земле: каменным планетам. Поэтому после того, как прошлой осенью транзитный экзопланетный обзорный спутник (TESS) обнаружил каменистую планету, немного превышающую Землю, группа исследователей начала кампанию по съемке дополнительных изображений с помощью космического телескопа Spitzer, единственного в настоящее время в космосе телескопа, который может непосредственно обнаружить инфракрасный свет планеты. Телескоп создавал изображения размером менее 1 пикселя, похожие на пылинку, с помощью которой можно было делать прогнозы относительно обитаемости планеты.

Изучение нескольких орбит планеты позволило ученым составить карту температуры ее поверхности и создать модели ее атмосферы - возможности, которые ученые только начинают развивать для каменистых планет. Многое из того, что исследователи узнают об экзопланетах, основано на том, что они знают о звездах, которые они кружат.

"Люди говорят, что мы знаем планету так же хорошо, как мы знаем звезду, потому что мы в основном делаем выводы, основываясь на том, что мы измеряем относительно звезды", — сказала Лаура Шефер, доцент кафедры геологических наук в Стэнфордской Школе Земли. Науки об энергии и окружающей среде (Stanford Earth) и соавтор исследования, характеризующего планету, который был опубликован в журнале Nature 19 августа.

Анализ команды показывает, что эта планета, LHS 3844b, расположена на расстоянии 48,6 световых лет от Земли, намного горячее Земли и может быть покрыта темной вулканической породой. Она вращается вокруг звезды меньше Солнца всего за 11 часов. Звезда - это M-карлик - самый распространенный и долгоживущий тип звезды, который, следовательно, может потенциально содержать большой процент планет галактики - и атмосфера каменистой планеты является первой орбитой M-карлика, которая будет охарактеризована. Исследователи обнаружили, что на планете практически нет атмосферы, и, следовательно, она не может поддерживать жизнь - важный вывод для понимания атмосферы подобных каменистых планет вокруг M-карликов.

Стэнфордская служба новостей поговорила с Шефером, чтобы понять больше о выводах и о том, что они означают.

Почему ученые хотят исследовать экзопланеты?

В самом широком смысле, это попытка лучше понять формирование планеты. Мы довольно хорошо понимаем планеты в нашей собственной Солнечной системе, но это дает нам только один снимок того, как работает планетообразование. Обнаружив планеты вокруг других звезд, мы обнаружили много новых сумасшедших вещей, которые, как мы не осознавали, произошли, когда планеты образовались. Например, мы обнаружили один класс планет, существование которых никто не ожидал, - горячие Юпитеры. Это фактически первый вид экзопланет, которые были обнаружены.

Другая главная цель изучения экзопланет найти другую планету, такую как Земля, на которой может быть жизнь. Я сосредотачиваюсь на небольших каменных планетах, а не на больших газовых гигантах. Цель состоит в том, чтобы в конечном итоге найти планету в том, что мы называем "обитаемой зоной", которая является областью орбитального пространства, где жидкая вода может быть стабильной на поверхности планеты, такой как Земля.

Чтобы определить, есть ли на планете жизнь, нам нужно уметь измерять ее атмосферу и видеть, повлияла ли на нее жизнь, как мы знаем это здесь, на Земле, где наша атмосфера кислорода производится жизнью. До того как жизнь получила широкое распространение на Земле, ее атмосфера была совсем другой. Поэтому мы думаем, что если мы можем посмотреть на атмосферы планет в обитаемой зоне и определить, из чего они сделаны, то, возможно, мы могли бы сказать, есть ли на этих планетах жизнь.

Как команда составила карту температуры планеты, которая находится так далеко?

Наблюдая за планетой в разных точках ее орбиты, мы видим различные части дневной стороны планеты. Если мы смотрим на свет от звезды, мы видим большой провал, когда планета проходит перед звездой, которую мы называем транзита. Когда он идет за звездой, мы видим меньший провал, который мы называем вторичным затмением. Величина этого провала дает нам ограничение на температуру поверхности планеты. Мы можем также искать вариации в звездном свете, которые дают нам карту температуры с дневной и ночной стороны.

Мы можем довольно хорошо ограничить орбиту; мы знаем, насколько близко она находится к ее звезде, и знаем ее яркость, поэтому мы знаем, в основном, сколько света планета получает от звезды. Мы используем модели эволюции звезды, чтобы попытаться понять, сколько света эта планета получила за всю свою жизнь.

Что эти данные говорят вам о ее атмосфере?

Атмосфера может принимать тепло от звезды и перемещать его. Если на планете нет атмосферы, то вы ожидаете большой контраст между дневной и ночной сторонами. Две сигнатуры атмосферы - это сдвиг в точке самой высокой температуры и более низкая амплитуда этой сигнатуры, которая указывает на то, что тепло перемещается вокруг. С этой конкретной планетой - одной из первых каменистых планет, с которых удалось провести измерения такого типа, - мы обнаружили большой температурный контраст между дневной и ночной сторонами и отсутствие смещения этой температурной точки. Это указывало на то, что атмосфера должна быть очень тонкой.

Мой вклад состоял в том, чтобы затем определить, была ли атмосфера стабильной, запустив модели, чтобы посмотреть, сколько атмосферы планета может потерять для ряда параметров за время жизни планеты. Если бы планета начинала с примерно такого же количества газов, таких как вода и углекислый газ, как у Земли, или даже более того, то она потеряла бы их все в течение своей жизни из-за того, что звезда нагревает атмосферу и заставить ее испаряться - это один из механизмов выхода атмосферы. Мы рассмотрели другую модель, которая ограничивала нижнюю часть атмосферы, которую могла иметь планета, и определили, что эти тонкие атмосферы не являются стабильными на этой планете.

Почему вы сосредотачиваете свои исследования на моделях атмосферных выбросов?

Я начал работать над пониманием ранних планетных атмосфер несколько лет назад, еще до того, как начал учиться в аспирантуре. Для меня это одна из самых интересных проблем, потому что раннее состояние планеты, похоже, действительно определяет то, как оно развивается в течение своей жизни. Это действительно важно для Земли, потому что мы мало знаем о ее ранней истории в первые полмиллиарда лет - но это тот период времени, когда началась жизнь. Итак, моя точка зрения в том, что вы должны начать с самого начала. И это на самом деле означает начать до того, как планета образуется и пытается понять все процессы, которые идут в создании планеты и что устанавливает начальные условия, из которых она в конечном итоге развивается. Глядя на эти горячие, скалистые экзопланеты, мы можем проверить наше понимание этих процессов.