Ученые недавно впервые зафиксировали углекислый газ в атмосфере экзопланеты. В связи с этим Naked Science рассказывает о методах, с помощью которых астрономы определяют состав атмосфер планет, находящихся на огромных расстояниях, настолько, что их невозможно увидеть даже в телескоп!
Астрономам известно более пяти тысяч планет, и это, скорее всего, лишь незначительный вклад. Обнаружение экзопланеты зависит от ряда факторов: ее размера, удаленности, периода обращения вокруг звезды и ориентации орбиты. Для каждого из этих параметров существуют строгие ограничения. Учитывая, что астрономы успешно находят тысячи далеких планет, общее количество планет в Галактике, вероятно, сопоставимо с количеством звезд: сотни миллиардов.
Среди этих миров есть такие, которые напоминают Землю и могут быть пригодны для жизни. Другие больше похожи на Юпитер или Нептун и не способны поддерживать жизнь. Существуют экзопланеты с экстремально высокой температурой, при которой даже железо распадается на атомы, а есть и ледяные. Все они представляют интерес для астрономов, и сейчас мы поясним причину.
Существует поговорка, утверждающая, что незнание иностранных языков ограничивает понимание родного. Однако более точным будет сказать, что одного языка недостаточно для полного осознания сущности языка. Язык – это то общее, что объединяет все языки, несмотря на их огромное разнообразие. К примеру, в табасаранском языке насчитывается 46 падежей, а в языке барасана – 137 родов. Другой пример: в чукотском или ацтекском предложениях часто состоят всего из двух слов – подлежащего и весьма развернутого сказуемого, содержащего все необходимое для передачи смысла («старик неводорыболовил»). Любая концепция, стремящаяся к объяснению универсальных принципов эволюции языка, должна находить объяснение возникновению подобных необычных явлений. Перечислять их можно бесконечно. Разве возможно для специалиста, владеющего лишь русским или английским языком, разработать подобную теорию?
В то же время ученые, изучающие планеты и планетные системы, долгое время находились в ситуации, аналогичной положению лингвиста. Они были знакомы лишь с одной системой — Солнечной, и не имели представления о горячих юпитерах или суперземлях. С появлением эпохи экзопланет, огромный объем новых данных поставил в тупик теоретиков.
Прежде чем приводить факты, необходимо их собрать. Определение некоторых параметров экзопланет, таких как период обращения вокруг звезды, представляется относительно простым. Однако другие характеристики, включая их состав, установить гораздо труднее. Отправить зонд с пробоотборником на расстояние в несколько световых лет невозможно. Более того, даже в телескоп далекую планету не разглядишь (во всяком случае, в оптическом). Как же астрономы определяют состав экзопланет?
Неподручные материалы
Мы видим тела Солнечной системы, поскольку они отражают солнечный свет. С экзопланетами это не представляется возможным. На таких расстояниях планета и ее звезда кажутся единой точкой, и слабый отраженный свет оказывается неразличим на фоне излучения звезды. В отдельных случаях экзопланеты обнаруживаются в инфракрасном диапазоне – они испускают больше инфракрасного излучения, чем отражают света, – однако это возможно лишь для гигантских и горячих планет. Несмотря на тысячи обнаруженных планет, инфракрасные изображения удалось получить для немногих десятков.
Наиболее распространенными способами обнаружения экзопланет являются метод транзитов и метод лучевых скоростей, о которых сообщает Naked Science подробно рассказывал. Один метод позволяет определить диаметр планеты, а другой — ее массу.
Уже само установление состава является важным шагом. Независимо от того, насколько локальными являются наши представления о формировании планетных систем, сложно вообразить себе силикатную планету, сопоставимую с Юпитером, или газовую планету, имеющую массу, эквивалентную Земле. Это связано, по крайней мере, с тем, что для первого в протопланетном диске, вероятно, недостаточно силикатного материала, а второй не сможет существовать: столь небольшая масса газа не будет удерживаться под действием собственной гравитации.
Помимо экстремальных вариантов, существуют также переходные типы, такие как суперземли и мининептуны. Эти объекты когда-то стали неожиданностью для ученых, поскольку подобных тел не наблюдается в нашей Солнечной системе. Из каких же веществ состоят планеты, масса которых превышает массу Земли в 2–4 раза? Вероятно, они сформированы из небольшого каменистого ядра, воды, метана и азота. Однако возможно и то, что они состоят из значительно большего ядра, окруженного водородом и гелием. Существующие модели допускают оба сценария. Вероятно, в реальности встречаются оба типа. «Я создала тебя из доступных материалов», – могла бы сказать такая планета Вселенной.
Читая новости о мирах-океанах, важно понимать, что прямые доказательства наличия воды на подобных планетах встречаются крайне редко. Астрономы, как правило, делают предположения, основанные на косвенных данных: «Учитывая размер и массу, эта планета, вероятно, содержит значительное количество вещества, похожего на воду. Поскольку H 2Кислород — одно из наиболее распространенных веществ во Вселенной, и, вероятно, именно этот пока не идентифицированный элемент представляет собой воду».
Одновременное знание массы и радиуса экзопланеты предпочтительнее, поскольку это позволяет, как минимум, определить ее среднюю плотность. Однако такая возможность возникает нечасто, поэтому Европейское космическое агентство предприняло шаги по улучшению ситуации и вывело на орбиту телескоп CHEOPS. Используя метод транзитов, он определяет диаметры планет, ранее обнаруженных методом лучевых скоростей, и дополняет известные данные об их массах.
В качестве примера средней плотности можно привести данные, полученные для семи планет известной планетной системы TRAPPIST-1. Эти планеты по размеру сопоставимы с Землей, и три из них расположены в зоне обитаемости, где температура может быть подходящей для существования жидкой воды.
Средняя плотность планеты не предоставляет достаточной информации о ее составе. Возможны различные варианты распределения по массе тяжелых элементов, льдов, жидкостей и газов, а точный химический состав определить практически невозможно.
Средняя плотность планеты TRAPPIST-1e превышает плотность Земли. Что это может говорить о её устройстве? Возможно, на ней отсутствует атмосфера и гидросфера, и вся масса экзопланеты сконцентрирована в твердых породах. Это было бы весьма печально, учитывая, что по объему получаемого от звезды тепла, TRAPPIST-1e больше всего напоминает Землю. Однако, не исключено, что там текут ручьи и растут яблони, а повышенная плотность обусловлена наличием массивного железного ядра.
Планета на просвет
Когда экзопланета обнаруживается с помощью транзитной методики, это подразумевает, что она регулярно проходит между своей звездой и земными телескопами. В этом случае лучи звезды проходят сквозь атмосферу планеты, что приводит к появлению характерных следов атмосферных газов в спектре светила. Это кажется очень перспективным, не так ли? Тем не менее, у этого подхода есть свои недостатки.
Атмосфера не охватывает всю планету. Те, кто полагает, что Земля состоит на 76% из азота и на 23% из кислорода, допустили неточность.
Выявление «отпечатков» планетной атмосферы в спектре звезды — сложная задача, требующая исключительно качественных данных. Телескопы, способные на это, можно насчитать по пальцам. Использование инструмента такого уровня для постоянного наблюдения планет невозможно: за время наблюдений астрономы выстраиваются в очередь. Неудивительно, что таким путем исследованы всего лишь десятки планет из тысяч открытых методом транзитов.
Исправить ситуацию призван орбитальный телескоп ARIEL, устройство разработано специально для изучения атмосферы экзопланет. Предполагается, что оно проведет исследование не менее чем тысячи экзопланет. Однако запуск аппарата запланирован лишь на 2029 год. А учитывая, как часто создатели передовых космических аппаратов не укладываются в сроки, более вероятно, что он состоится в 2030-х годах.
В настоящее время телескопы позволяют изучать атмосферу только у крупных планет. Исследование суперземель возможно, хотя и со значительными трудностями, в то время как атмосферы планет, сравнимых с Марсом, Землей или Венерой, наблюдать не удается.
В заключение, стоит отметить, что планеты часто покрыты облаками, из-за чего наблюдаемы только верхние слои атмосферы, которые могут существенно отличаться по составу от нижних. Однако существуют и исключения – безоблачные планеты. Ярким примером является KELT-9b, температура которой (4300 °C) превышает температуру большинства звезд Галактики. В ее раскаленной атмосфере не существует молекул, способных формировать облака.
Астрономы, разумеется, сполна воспользовались этой удачей. Но против них играло, возможно, самое важное ограничение спектрального метода: далеко не все вещества имеют спектральные линии в видимом свете. В итоге из 76 элементов таблицы Менделеева от лития до платины было обнаружено всего ничего: магний, железо, титан, натрий, хром, скандий и иттрий. Под подозрением еще кальций, кобальт и стронций, но в этих результатах авторы не уверены.
Список элементов и соединений, идентифицированных на экзопланетах с помощью спектрального анализа, пока невелик. Помимо водорода и гелия (наличие которых на экзопланетах ожидалось даже без наблюдений, учитывая их распространенность во Вселенной), были зафиксированы вода и углекислый газ. Последние два вещества регистрируются уже не в видимом свете, а в инфракрасном диапазоне. Вероятно, мы что-то упустили из виду, но, скорее всего, незначительное количество. Недавно запущенный телескоп «Джеймс Уэбб» сможет обнаружить еще несколько соединений, в том числе метан — самые простые органические соединения, которые, однако, не указывают на наличие жизни.
Существует также весьма перспективный метод исследования состава экзопланет, даже если они уже не существуют. Он заключается в поиске следов планетных остатков в атмосферах белых карликов. Об этом рассказывает Naked Science уже рассказывал, так что не будем повторяться.
Можно заключить, что существующие методы определения химического состава экзопланет функционируют, хотя и не в полной мере соответствуют ожиданиям исследователей. Подобную ситуацию можно наблюдать практически во всех областях науки, находящихся на пике развития.