Как облака на экзопланете затеняют ее поверхность?
AstroNews.ru - 31 Марта 2020 15:36:42
В 2021 году космический телескоп следующего поколения Джеймс Вебб (JWST) отправится в космос. После запуска эта флагманская миссия начнется там, где остановились другие космические телескопы, такие как Хаббл, Кеплер и Спитцер. Это означает, что в дополнение к исследованию некоторых из самых больших космических загадок, он также будет искать потенциально обитаемые экзопланеты и пытаться охарактеризовать их атмосферу.
Это часть того, что отличает JWST от его предшественников. Благодаря высокой чувствительности и возможностям инфракрасной визуализации, он сможет собирать данные об атмосферах экзопланет, как никогда раньше. Однако, как недавно показали исследования, поддерживаемые НАСА, планеты с плотной атмосферой могут также иметь обширный облачный покров, что может осложнить попытки собрать некоторые из наиболее важных данных.
В течение многих лет астрономы использовали транзитную фотометрию (метод транзита), чтобы обнаружить экзопланеты, отслеживая отдаленные звезды на предмет падения яркости. Этот метод также оказался полезным при определении состава атмосферы некоторых планет. Когда эти тела проходят перед своими звездами, свет проходит через атмосферу планеты, спектры которой затем анализируются, чтобы увидеть, какие химические элементы присутствуют.
До сих пор этот метод был полезен при наблюдении массивных планет (газовых гигантов и «супер-юпитеров»), которые вращаются вокруг своих солнц на больших расстояниях. Тем не менее, наблюдение небольших каменистых планет (т.е. планет, подобных Земле), которые вращаются ближе к своим солнцам и помещают их в зону обитания звезды, выходит за рамки возможностей космических телескопов.
По этой причине астрономическое сообщество с нетерпением ждет телескопов следующего поколения, таких как JWST. Исследуя спектры света, проходящего через атмосферу каменистой планеты (метод, известный как просвечивающая спектроскопия), ученые смогут найти контрольные индикаторы кислорода, газа, углекислого газа, метана и других признаков, связанных с жизнью («биосигнатуры»).
Еще один важный элемент жизни, поскольку мы знаем, что это вода, поэтому сигнатуры водяного пара в атмосфере планеты являются основной целью будущих исследований. Но в новом исследовании, проведенном Таддеусом Комачеком, научным сотрудником Департамента геофизических наук в Университете Чикаго, возможно, что любая планета с обильной поверхностной водой также будет иметь много облаков (частиц конденсирующегося льда) в ее атмосфере.
Ради этого исследования Комачек и его коллеги исследовали, будут ли эти облака мешать попыткам обнаружить водяной пар в атмосфере наземных экзопланет. Из-за количества скалистых экзопланет, которые были обнаружены в обитаемых зонах звезд M-типа ( красный карлик ) в последние годы, например, Proxima b, соседние красные карлики будут в центре внимания будущих исследований.
Как пояснил Комак, планеты с приливной привязкой, которые вращаются вокруг звезд красных карликов, хорошо подходят для исследований, связанных с трансмиссионной спектроскопией, и по ряду причин:
«Транзитные планеты, вращающиеся вокруг звезд красного карлика, являются более благоприятными целями, чем те, которые вращаются вокруг подобных солнцу звезд, потому что отношение размера планеты к размеру звезды больше.
«Другая причина, по которой планеты, вращающиеся вокруг звезд красных карликов, более благоприятны для наблюдения, заключается в том, что «обитаемая зона» или место где мы ожидаем, что на поверхности планеты будет жидкая вода, гораздо ближе к звезде… Из-за этого на близких орбитах обитаемые скалистые планеты, вращающиеся вокруг красных карликов, будут проходить через них транзитом гораздо чаще, что позволяет наблюдателям многократно повторять наблюдения».
Имея это в виду, Комачек и его команда использовали две модели совместно для генерации синтетических спектров пропускания планет находящихся вокруг звезд М-типа. Первым был ExoCAM, разработанный доктором Эриком Вольфом из Колорадской лаборатории физики атмосферы и космоса (LASP), модель системы Земля-сообщество (CESM), используемая для моделирования климата Земли, которая была адаптирована для изучения атмосфер экзопланет.
Используя модель ExoCAM, они моделировали климат скалистых планет, вращающихся вокруг красных карликов. Во-вторых, они использовали Генератор Планетного Спектра, разработанный Центром космических полетов имени Годдарда НАСА для моделирования спектра, который телескоп JWST будет обнаруживать на их моделируемой планете. Как объяснил Комачек: «Эти расчеты ExoCAM вычислили трехмерные распределения температуры, соотношения водяного пара и частиц жидкости и облаков ледяной воды. Мы обнаружили, что планеты, вращающиеся вокруг красных карликов, намного облачнее Земли. В дневное время климат похож на тропики Земли, поэтому водяной пар легко поднимается, где он может конденсироваться и образовывать облака, которые покрывают большую часть дневной области планеты. Посмотрев, как размер сигнала изменяется с длиной волны, мы смогли определить характеристики водяного пара и сравнить их с уровнем неопределенности».
Между этими двумя моделями команда смогла моделировать планеты с облачным покровом и без него, и то, что JWST сможет обнаружить в результате. В первом случае они обнаружили, что водяной пар в атмосфере экзопланеты почти наверняка будет обнаружен. Они также обнаружили, что это может быть сделано для экзопланет размером с Землю всего за 10 транзитов или меньше.
«Когда мы включили эффекты облаков, количество транзитов, которые телескоп JWST должен был наблюдать, чтобы обнаружить водяной пар, увеличилось в 10-100 раз», - сказал Комачек. «Существует естественное ограничение на количество транзитов, которые JWST может наблюдать для данной планеты, потому что телескоп JWST имеет установленное время жизни миссии - в пять лет, а наблюдение может осуществляться только тогда, когда планета проходит между нами и ее звездой».
Они также обнаружили, что влияние облачного покрова было особенно сильным на медленно вращающиеся планеты вокруг красных карликов. По сути, планеты, у которых периоды обращения более 12 дней, будут более интенсивно образовывать облака на своих дневных сторонах. «Мы обнаружили, что для планет, вращающихся вокруг такой звезды, как TRAPPIST-1 (самая благоприятная из известных целей), JWST не сможет пронаблюдать достаточное количество транзитов для обнаружения водяного пара», - сказал Комачек.
Эти результаты похожи на то, что отметили и другие исследователи, добавил он. В прошлом году исследование, проведенное учеными из центра Годдарда НАСА, показало, как облачный покров сделает водяной пар необнаружимым в атмосферах планет TRAPPIST-1. Ранее в этом месяце другое исследование НАСА, поддержанное Годдардом, показало, что облака снизят амплитуду водяного пара до такой степени, что JWST устранит их как фоновый шум.
Но прежде чем думать, что это все плохие новости, в этом исследовании представлены некоторые предложения по преодолению этих ограничений. Например если миссия JWST будет продлена, у ученых было больше времени для сбора данных. НАСА уже надеется запустить космический телескоп в течение 10 лет, поэтому продление миссии уже возможно.
В то же время, пониженный порог отношения сигнал/шум для обнаружения может позволить выделить больше сигналов из спектров (хотя это также будет означать больше ложных срабатываний). Кроме того, Комачек и его коллеги отмечают: «Поскольку водяные пары в основном задерживаются ниже уровня водяных облаков, сильное облачное покрытие на планетах, вращающихся вокруг красных карликов, делает его невероятным сложность в обнаружении водных объектов. Важно, что ожидается, что телескоп JWST все еще сможет обнаруживать присутствие ключевых атмосферных составляющих, таких как углекислый газ и метан, только в дюжине транзитов или около того».
Еще раз, эти результаты подтверждаются предыдущими исследованиями. В прошлом году исследование, проведенное в Университете Вашингтона, изучило обнаружение и характеристики планет TRAPPIST-1 и обнаружило, что облака вряд ли окажут существенное влияние на обнаружение кислорода и озона - двух ключевых биосигнатур, которые связаны с присутствием жизни.
В действительности телескоп JWST может испытывать трудности только с обнаружением водяного пара в атмосферах экзопланет, по крайней мере там, где речь идет о плотном облачном покрове. У JWST не должно быть проблем с обнаружением других биосигнатур. От Webb, самого мощного и совершенного космического телескопа НАСА на сегодняшний день, ожидаются большие успехи, и все это начнется в следующем году.