Предложен новый метод поиска атмосфер на экзопланетах

Когда космический телескоп Джеймса Уэбб запустят на орбиту в 2021 году, одним из наиболее ожидаемых его вкладов в астрономию будет изучение экзопланет — планет, вращающихся вокруг далеких звезд.

Один из самых насущных вопросов в науке о экзопланетах: может ли небольшая скалистая экзопланета, вращающаяся рядом со звездой — красным карликом, удерживать атмосферу?

В серии из четырех статей в Astrophysical Journal команда астрономов предлагает новый метод использования телескопа Джеймса Уэбба для определения наличия атмосферы на скалистых экзопланетах.

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 трансмиссионная спектроскопия.

«Мы думаем, что Уэбб мог бы легко определить наличие или отсутствие атмосферы вокруг дюжины известных скалистых экзопланет с временем наблюдения менее 10 часов на планету», — сказал Джейкоб Бин из Чикагского университета.

Астрономы особенно интересуются экзопланетами, вращающимися вокруг красных карликов по ряду причин. Эти звезды, которые меньше и холоднее Солнца, являются наиболее распространенным типом звезд в нашей галактике.

Кроме того, поскольку красный карлик маленький, проходящая перед ним планета, по-видимому, блокирует большую часть света звезды, чем если бы звезда была больше, как наше Солнце. Это облегчает обнаружение планеты, вращающейся вокруг красного карлика, с помощью «транзитной» техники.

Красные карлики также производят намного меньше тепла, чем наше Солнце, поэтому для того, чтобы иметь подходящую для жизни температуру, планета должна была бы вращаться достаточно близко к звезде.

Фактически, чтобы быть в пригодной для жизни зоне — области вокруг звезды, где жидкая вода могла бы существовать на поверхности планеты — планета должна вращаться намного ближе к звезде, чем Меркурий к Солнцу. В результате она будет проходить звезду чаще, что облегчает повторные наблюдения.

Но планета, вращающаяся так близко к красному карлику, подвергается суровым испытаниям. Молодые красные карлики очень активны, излучая огромные вспышки плазмы. Они также испускают сильный ветер заряженных частиц. Все эти эффекты могут потенциально вычистить атмосферу планеты, оставив за собой голую безжизненную поверхность.

Еще одна ключевая характеристика экзопланет, вращающихся рядом с красными карликами, является центральной для новой техники: ожидается, что они будут заблокированы по траектории, то есть имеют постоянную дневную и ночную стороны.

В результате мы видим разные фазы планеты в разных точках ее орбиты. Когда она пересекает лицевую сторону звезды, мы видим только ночную сторону планеты. Но когда она собирается пересечь звезду с другой стороны (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, как мы видим на Луне или Меркурии. Однако, если у скалистой экзопланеты есть атмосфера, ожидается, что присутствие этой атмосферы понизит дневную температуру, которую измерял бы телескоп Джеймс Уэбб.

Это может быть сделано двумя способами. Густая атмосфера может переносить тепло от дневной до ночной через ветры. Более тонкая атмосфера все еще может содержать облака, которые отражают часть входящего света звезды, тем самым понижая температуру дневной стороны планеты.

Уэбб идеально подходит для проведения этих измерений, потому что у него гораздо большее зеркало, чем у других телескопов, таких как космические телескопы «Хаббл» или «Спитцер», что позволяет ему собирать больше света и он может нацеливаться на соответствующие длины волн инфракрасного излучения.

Расчеты показывают, что Уэбб должен быть в состоянии обнаружить тепловую сигнатуру атмосферы планеты за одно-два вторичных затмения — всего за несколько часов наблюдений. Напротив, обнаружение атмосферы с помощью спектроскопических наблюдений обычно требуют 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.

Ученые подчеркнули, что более низкая, чем ожидалось, дневная температура была бы важной подсказкой, но она не могла бы полностью подтвердить существование атмосферы. Любые оставшиеся сомнения в наличии атмосферы могут быть исключены с помощью последующих исследований с использованием других методов.

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 только в течение прошлого года. Очень вероятно, что будет найдено большее количество таких планет к тому времени, когда Джеймс Уэбб заработает.

Identifying Candidate Atmospheres on Rocky M Dwarf Planets via Eclipse Photometry, Daniel D. B. Koll et al., 2019, Astrophysical Journal., arxiv.org/abs/1907.13138