Транзит Венеры поможет изучить атмосферы экзопланет

В следующем десятилетии исследователи начнут изучать атмосферы планет, таких маленьких, как Земля и Венера, вращающихся вокруг близлежащих звезд. Но хотя эти две планеты Солнечной системы похожи по размеру и объемной плотности — так что некоторые называют их «близнецами», — их атмосферы совершенно не похожи. Смогут ли ученые отличить их, если смотреть на них с расстояния в световые годы?

Группа астрономов под руководством Института астрофизики и космических исследований (Institute of Astrophysics and Space Sciences (IA, Португалия) предположила, что Венера находится в другой планетной системе, и задалась вопросом, какую информацию они могут извлечь.

Результаты показывают, что методы, используемые для изучения больших горячих экзопланет, могут быть эффективно применены к тем, диаметр которых в десять раз меньше. Они также прокладывает путь к идентификации маркеров, которые могли бы различать спокойные атмосферы с преобладанием азота, такие как земная, и те, которые в основном состоят из углекислого газа, как горячая и бурная атмосфера Венеры.

«Мы адаптировали к телу Солнечной системы сложные методы, используемые для изучения атмосферы миров, расположенных гораздо дальше»
Педро Мачадо

«Методы, которые в настоящее время используются для изучения атмосферы экзопланет, эффективны для гигантских планет, расположенных близко к их звездам, то есть с горячей атмосферой. Однако изучать атмосферу таких маленьких тел, как Земля или Венера, сложно», — говорит первый автор исследования Александре Бранко из IA.

«Наиболее перспективные цели часто купаются в звездном радиационном режиме, подобном Венере, поэтому «ЭкзоВенеры», скорее всего, станут первыми малыми мирами, атмосфера которых будет охарактеризована. Цель нашей работы состояла в том, чтобы взглянуть на Венеру так, как если бы мы смотрели на экзопланету».

Ученые смогли подтвердить свои выводы на основе предыдущих исследований Венеры. Более того, они показывают, что атмосферы тел Солнечной системы также могут быть исследованы с использованием тех же методов для далеких атмосфер, чтобы обнаружить у наших близких соседей химические вещества в очень низких концентрациях, которые трудно обнаружить другими способами.

Редкий шанс

Чтобы наблюдать Венеру как экзопланету, команда астрономов проанализировала очень редкий набор данных, собранных 5 и 6 июня 2012 года, когда Венера в последний раз в этом столетии пересекала диск Солнца — примерно так же, как исследуются атмосферы экзопланет, когда они проходят перед своей звездой-хозяином с нашей точки зрения на Земле.

Они оставляют отпечаток своего присутствия в свете звезды. Среди этих следов — сигналы, оставляемые молекулами в атмосфере, которые говорят астрофизикам о том, из чего она состоит.

Это тем сложнее, чем меньше планета, но планируется, что новые астрономические инструменты начнут работать в 2030-х годах, и экзопланеты размером с Землю и Венеру будут в пределах их досягаемости. Таким образом, методы, которые уже успешно используются на больших горячих экзопланетах, необходимо протестировать и откалибровать для этих более сложных случаев, где соответствующие сигналы, вероятно, будут слишком слабыми и скрытыми в шуме.

Применив эти методы к данным, полученным при прохождении Венеры перед Солнцем, исследователи подтвердили возможность их будущего использования с такими мощными инструментами, как Чрезвычайно Большой Телескоп ( ELT ) ESO и космическая миссия Ariel Европейского космического агентства (ESA). Однако для различения миров, подобных Земле, и миров, подобных Венере, необходимо сделать больше. Издалека Венеру можно ошибочно принять за планету, подобную нашей.

Будет ли первая далекая «Земля» на самом деле еще одной Венерой?

Из-за концентрации углекислого газа атмосфера Венеры подвержена экстремальному парниковому эффекту, который плавит свинец на поверхности планеты, а давление достигает 90 атмосфер. На самом деле, атмосфера, похожая на атмосферу Венеры, вероятно, будет первой, которая будет охарактеризована на экзопланете «размером с Землю».

«Высокие температуры, присущие каменистым планетам с атмосферой, богатой углекислым газом, и, следовательно, подверженной интенсивному парниковому эффекту, приводят к химически активной среде со множеством химических переходов. Это позволяет легко обнаружить этот тип атмосферы», — говорит Педро Мачадо из IA и Ciências ULisboa, второй автор этого исследования.

«Атмосфера Венеры примерно в 90 раз плотнее земной, а также значительно горячее. Настолько, что, несмотря на большую плотность, атмосфера Венеры больше. Больше и плотнее — оба эти фактора подразумевают сильную сигнатуру в наших наблюдениях. Мы обнаружили некоторые слабые сигнатуры углекислого газа в данных по Венере, которые не ожидаются в атмосферах, подобных земным. Тем не менее, это все еще не самый эффективный способ различить две планеты».

Положительные результаты также и для других миров Солнечной системы

В 2012 году Педро Мачадо и его команда приняли участие в скоординированных наблюдениях Венеры для международной кампании, когда планета пересекла солнечный диск в июне.

Они также проанализировали спектроскопические данные, собранные на телескопе Dunn Solar Telescope (Национальная солнечная обсерватория, Нью-Мексико, США) с использованием инфракрасного спектрополяриметра Facility Infrared Spectropolarimeter (FIRS). Данные относятся к свету от Солнца, преломленному верхней атмосферой Венеры в моменты, когда край планеты касался солнечного диска.

«Мы адаптировали к телу Солнечной системы сложные методы, используемые для изучения атмосфер невероятно далеких миров, — говорит Педро Мачадо, — и доказали, что их также можно использовать для обнаружения незначительных химических компонентов в атмосферах в нашей Солнечной системе».

«Мы готовим наблюдения, которые выиграют от этой техники, чтобы исследовать атмосферы Юпитера и Сатурна, когда яркая звезда проходит позади них, как видно из наших телескопов на Земле. Орбитальные миссии возле Венеры или Марса также наблюдали Солнце через их атмосферы».

«Мы даже обнаружили четкие сигнатуры изотопов углерода и кислорода в молекулах углекислого газа и оксида углерода», — добавляет Мачадо. Количество определенных изотопов меняется со временем и используется для оценки прошлых атмосферных условий температуры и давления и их временных масштабов.

«Оценка относительного количества изотопов позволяет нам делать выводы об истории эволюции Венеры. Это то, во что наша работа вносит очень очевидный вклад, и это также одна из целей следующей миссии Европейского космического агентства на Венеру, EnVision , в которой Португалия и IA сотрудничают: изучить эволюцию Венеры» — говорят ученые.

Результаты исследования были опубликованы журнале Atmosphere.