Ученые установили, что наличие звездных пятен могло приводить к тому, что в течение многих лет ошибки в данных об экзопланетах, поступающих с космических телескопов, оставались незамеченными. Согласно новому исследованию, игнорирование влияния «нестабильности» звезд может привести к искажению представлений о других планетарных системах.
С 1990-х годов астрономы открыли почти шесть тысяч экзопланет. Большинство из них обнаружили транзитным методом: когда тело проходит перед звездой, на фоне которой оно наблюдается, ее яркость кратковременно меняется, что указывает на наличие экзопланеты. Изучая изменения в спектре света, ученые могут определить размеры объекта, его температуру и состав атмосферы.
Звезды не являются устойчивыми сферами. Их поверхность характеризуется наличием «холодных» и темных участков — пятнами, похожими солнечных, эти области также характеризуются высокой температурой и изменяются под воздействием магнитных полей. Данные «узоры» деформируют свет, проходящий через атмосферу экзопланет, что может приводить к появлению «шумов» в данных. Из-за этого астрономы могли не замечать ошибок в потоках информации, поступающих с космических телескопов, на протяжении десятилетий.
Международная команда астрономов во главе с Арианной Саба ( Arianna Saba) из Университетского колледжа Лондона (Великобритания) проанализировала архивные данные, полученные орбитальной обсерваторией, для 20 экзопланет «Хаббл». Для повторного анализа спектров атмосфер этих миров в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном диапазонах ученые использовали два основных инструмента космической обсерватории: Space Telescope Imaging Spectrograph (STIS, спектрограф для видимого и УФ-света) и Wide Field Camera 3 (При использовании спектрометра WFC3 для анализа ближнего инфракрасного диапазона было установлено, что активность родительских звезд повлияла на измерения температуры и состава атмосфер у половины экзопланет.
В некоторых областях поверхности звезды магнитные поля приводят к усилению светимости. Эти участки, известные как «факелы», обладают повышенной яркостью по сравнению с остальной поверхностью звезды. Когда планета проходит перед «факелом», она перекрывает этот источник интенсивного света, что приводит к резкому снижению видимой яркости звезды (поскольку на короткое время исчезает ее яркая часть). В результате этого ученые могут ошибочно заключить, что падение яркости обусловлено большим размером экзопланеты или наличием плотной атмосферы, способной задерживать свет.
Темные холодные пятна, где температура плазмы значительно ниже средней температуры поверхности звезды, напротив, снижают яркость. Эти области и так выглядят тусклыми, однако при прохождении космического тела над пятном и его перекрытием общее снижение яркости может быть почти незаметным. Вследствие этого ученые склонны недооценивать размер экзопланеты, поскольку ее светимость практически не меняется. Исследователи считают, что это указывает на небольшой размер экзопланеты. Иногда астрономы не регистрируют объект вовсе — сигнал настолько слабый, что принимается за помехи.
Искажение яркости звезды из-за атмосферных искажений может привести к завышенным расчетам теплопоглощения. Исследование, проведенное командой Саба, охватило 20 экзопланет и показало, что в минимум шести случаях температура атмосферы была определена с ошибкой в 145%, а концентрация молекул – с погрешностью до миллиона раз.
Если фактическая температура атмосферы экзопланеты составляет 100 градусов Цельсия, то из-за так называемого «факела» приборы телескопа могли зафиксировать температуру в 245 градусов (что на 145 процентов превышает реальное значение). В противном случае, если участок светила был недостаточно ярким из-за наличия пятен, температура могла казаться значительно ниже.
Анализируя прохождение света звезды через атмосферу экзопланеты, когда она находится между звездой и наблюдателем (космическим телескопом), ученые отмечают изменения, аналогичные тем, что возникают при прохождении солнечного света через воду с примесями: в этом случае цвет или яркость света изменяются.
Если в атмосфере объекта присутствует вода или углекислый газ, то свет с определенными длинами волн будет поглощаться, что создаст характерный «отпечаток» в спектре, подобно радуге, разделенной на составляющие ее цвета).
Искажение данных может привести к тому, что ученые ошибочно интерпретируют наличие в атмосфере в миллион раз больше воды или углекислого газа. В действительности, это лишь помехи, создаваемые активностью звезды. К примеру, если в атмосфере экзопланеты содержится 10 молекул воды на кубический метр, то из-за искажений приборы могут зарегистрировать либо 10 миллионов молекул (в миллион раз больше), либо 0,00001 молекулы (в миллион раз меньше).
Неточности в отчетах ученых способны превратить планету, покрытую океаном, в безжизненное пространство — или, наоборот. Неправильная оценка концентрации кислорода, вызванная ошибками в измерениях, может привести к ошибочному выводу о пригодности планеты для жизни. Аналогично, занижение температуры может привести к упущению потенциально обитаемого мира.
Чтобы оценить серьезность ситуации, Саба и ее коллеги использовали байесовский статистический метод и ряд статистических моделей. Это помогло отделить «сигнал» планет от звездного «шума».
Анализ, проведенный учеными, показал, что у шести из 20 экзопланет, исследованных с помощью телескопа «Хаббл», зафиксированы значительные искажения, а у еще шести – умеренные. Так, планета, ранее классифицированная как «горячий гигант», может оказаться меньше и холоднее, чем предполагалось. Это вызывает вопросы относительно достоверности множества научных публикаций, предшествующих данному исследованию, особенно тех, что были основаны на недостаточном объеме данных, полученных в оптическом или УФ-диапазоне.
По мнению исследователей, для предотвращения ошибок в будущем требуется сочетание различных методов наблюдения. В первую очередь, следует использовать мультиспектральный подход, предполагающий одновременное наблюдение за экзопланетами в разных спектральных диапазонах. К примеру, можно объединить данные, полученные с орбитальных телескопов «Хаббл» (УФ, видимый свет) и «Джеймс Уэбб» (во-вторых, требуется проводить повторные наблюдения: различия в спектрах одной планеты, полученных в разное время, могут указывать на активность звезды. В-третьих, следует применять новые алгоритмы, которые автоматически учитывают звездную активность.
В перспективе ближайшие годы могут принести улучшения благодаря новым космическим телескопам, в том числе атмосферному инфракрасному исследовательу экзопланет дистанционного зондирования ARIEL (инструмент ESA, запуск запланирован на 2029 год). Это первый аппарат, предназначенный для изучения атмосфер 1000 экзопланет в инфракрасном спектре. Однако, по мнению Саба, даже результаты, полученные с помощью этой орбитальной обсерватории, могут оказаться неточными без информации, полученной в оптическом диапазоне.
На помощь может прийти спектрометр Twinkle (запуск запланирован на 2025 год. Это прибор для видимой и инфракрасной спектроскопии, размещенный на небольшом спутнике, предназначенном для исследования экзопланет, звезд, протопланетных дисков и объектов Солнечной системы. Инструмент будет выполнять быструю проверку потенциально интересных объектов, чтобы исключить объекты, не являющиеся планетами. Он сможет подавлять звездные помехи, что позволит улучшить качество данных.
Новое исследование опубликовано в журнале The Astrophysical Journal Supplement Series.