Химия далеких миров — что Ариэль расскажет о атмосферах далеких экзопланет

Международная команда исследователей под руководством О. Вено (O. Venot) из Университета Гренобль-Альпы (Франция) и участников научного консорциума миссии «Ариэль» Европейского космического агентства подготовила обзорную работу, посвященную химическому разнообразию атмосфер экзопланет. Ученые систематизировали ключевые научные вопросы, которые должна решить будущая миссия «Ариэль», и показали, какие именно химические процессы, от вертикального перемешивания и фотодиссоциации до влияния вспышек на родительских звездах, формируют облик далеких миров. Статья опубликована в журнале RAS Techniques and Instruments (RASTI).

За последние двадцать лет астрономы научились не просто находить планеты у других звезд, но и заглядывать в их атмосферы. Оказалось, что эти атмосферы удивительно разнообразны и почти никогда не находятся в состоянии простого химического равновесия. Газовые гиганты и планеты размером с Нептун, которые чаще всего попадают в поле зрения телескопов, демонстрируют странности: где-то не хватает метана, где-то появляется неожиданный диоксид серы, а где-то облака и дымки полностью скрывают химический состав. Разобраться в этом хаосе можно только одним способом — посмотреть на сотни планет сразу, единым инструментом и по единой методике. Именно для этого создается космическая миссия «Ариэль», запуск которой намечен на 2030 год.

Главная задача «Ариэль» — провести перепись атмосфер примерно тысячи экзопланет. Для этого телескоп диаметром чуть больше метра оснастят двумя приборами: системой точного наведения, которая также работает как фотометр и спектрометр ближнего инфракрасного диапазона, и инфракрасным спектрометром, охватывающим длины волн от 1,95 до 7,8 микрометра. Такое широкое покрытие позволяет одновременно видеть линии воды, метана, углекислого газа, аммиака и множества других молекул. Наблюдения будут вестись из точки Лагранжа L2, а приборы охладят до температур около 55 кельвинов, чтобы собственное тепловое излучение телескопа не мешало измерениям.

Авторы статьи подчеркивают, что «Ариэль» будет работать в четыре этапа. Сначала, разведочный обзор около тысячи планет с низким разрешением, чтобы понять общую картину: где есть облака, где атмосфера сохранилась, а где планета потеряла газовую оболочку. Затем, глубокий обзор примерно шестисот самых интересных целей, где химический состав можно будет измерить с высокой точностью. Третий этап, повторные наблюдения отдельных «эталонных» планет, чтобы уловить изменения погоды и сезонные эффекты. Четвертый, специальные программы для изучения фазовых кривых, то есть распределения температуры и химии между дневной и ночной сторонами.

Одна из центральных тем обзора — неравновесная химия. В атмосферах планет, которые обращаются близко к своим звездам, мощные потоки воздуха и ультрафиолетовое излучение не дают химическим реакциям завершиться. В результате метан может исчезать там, где его ждали, а вместо него появляться угарный газ или синильная кислота. Особенно интригует загадка метанового «гашения»: планеты холоднее тысячи кельвинов должны быть богаты метаном, но на практике его находят далеко не всегда. Модели показывают, что планеты с температурой от 650 до 1000 кельвинов статистически заметно отклоняются от равновесия, и «Ариэль» сможет это проверить на большой выборке.

Отдельный раздел посвящен сере и фосфору. Их соединения могут рассказать о том, как формировалась планета и как на нее влияет излучение звезды. Например, сернистый газ появляется в атмосфере только под действием фотодиссоциации, и его уже находили с помощью «Джеймса Уэбба» у нескольких планет. Фосфин (PH₃), который на Юпитере и Сатурне существует благодаря перемешиванию, у экзопланет пока не найден, но его поиски могут дать ключ к пониманию вертикальных потоков. Авторы рекомендуют наблюдать как холодные планеты с малым ультрафиолетовым фоном, так и горячие металлические миры, где могут накапливаться оксиды фосфора.

Большое внимание уделено влиянию родительских звезд. Вспышки на М-карликах (красных карликах), которые часто случаются у молодых и активных звезд, способны менять химический состав атмосферы за считанные часы. Модели показывают, что изменения в линиях метана и аммиака могут достигать сотен миллионных долей, а это как раз тот уровень, который «Ариэль» способен уловить при повторных наблюдениях. Ученые предлагают следить за планетами у звезд вроде AU Микроскопа или GJ 1214, где вспышки происходят регулярно.

Еще одна важная тема — формирование планет. Химический состав атмосферы хранит следы того, где и как планета набирала массу. Отношение углерода к кислороду, наличие воды и аммиака, обогащение металлами, все это зависит от того, образовалась ли планета за снеговой линией или ближе к звезде, падало ли на нее много планетезималей или она росла в основном за счет газа. Авторы показывают, что для горячих юпитеров с температурой выше 900 кельвинов различия между сценариями формирования могут быть заметны в спектрах, особенно в полосах углекислого газа на длине волны 4,3 микрометра. Молодые планеты возрастом менее 100 миллионов лет особенно ценны, потому что их атмосферы еще не успели сильно измениться.

Обзор затрагивает и миры меньшего размера. Среди субнептунов, то есть планет в 1,5-2,5 раза больше Земли, существует загадочная «долина радиусов» — провал в распределении размеров, который связывают с потерей атмосферы. Возле солнцеподобных звезд эта долина выражена сильнее, чем вокруг красных карликов, что намекает на разные пути формирования. «Ариэль» сможет отличить водородно-гелиевые оболочки от паровых атмосфер, богатых водой, если наберет достаточную статистику по транзитам. Для этого потребуется изучить около 60 субнептунов у звезд от середины M до G.

Наконец, авторы не обходят стороной и самые экстремальные объекты, так называемые лавовые миры. Это каменистые планеты, раскаленные до двух тысяч градусов и больше. У них может не быть атмосферы вовсе, а может быть тонкая оболочка из испаренной породы. Прямое наблюдение транзитов для таких маленьких и горячих планет слишком сложно даже для «Ариэль», но фазовые кривые, то есть измерение яркости планеты в разных фазах орбиты, помогут понять, переносится ли тепло с дневной стороны на ночную. Если разница температур велика, значит, атмосферы нет; если мала, то газ все-таки присутствует.

В итоге авторы составили подробный план действий для химической рабочей группы миссии «Ариэль». Они показали, что единый обзор сотен планет с широким спектральным охватом позволит не просто перечислить, какие молекулы где есть, а выявить статистические закономерности: как металличность и отношение углерода к кислороду зависят от массы планеты, как неравновесные процессы меняются с температурой, как вспышки звезд влияют на химию. Этот обзор станет основой для отбора целей и обеспечит переход от отдельных открытий к полноценной популяционной картине экзопланетных атмосфер.

Ариэль (анг. Ariel, сокращено от Atmospheric Remote-sensing Infrared Exoplanet Large-survey) — это космический телескоп Европейского космического агентства (ESA), который станет первой миссией, полностью посвященной изучению атмосфер экзопланет, а не их поиску. Запуск запланирован на 2030 год (или 2031) с помощью ракеты Ariane 6, после чего аппарат отправится в точку Лагранжа L2 на расстоянии 1,5 миллиона километров от Земли. В течение как минимум четырех лет Ариэль будет наблюдать около тысячи уже известных экзопланет, от раскаленных газовых гигантов до скалистых миров размером с Землю, используя метод транзитной спектроскопии, чтобы определить химический состав и температуру их атмосфер.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях