Недавно астрономы впервые обнаружили углекислый газ в атмосфере экзопланеты. В честь этого события Naked Science рассказывает о том, как учёные определяют состав таких далёких планет, которых даже в телескоп не видно.
Астрономам известно более пяти тысяч планетЭто, вероятно, лишь крошечный шаг. Открытие экзопланеты зависит от многих факторов: размера, расстояния до нее, периода обращения вокруг звезды и ориентации орбиты. Ограничения по каждому пункту весьма строгие. Если наблюдатели в таких условиях удается открывать далекие миры тысячами, то полное число планет в Галактике должно быть сопоставимо с количеством звезд: сотни миллиардов.
Часть этих миров схожа с Землей и может быть пригодна для жизни. Другие больше похожи на Юпитер или Нептун и считаются безжизненными. Есть экзопланеты с такой высокой температурой, что даже железо распадается на атомы, а есть ледяные. Астрономы изучают все эти планеты, и мы сейчас расскажем, почему.
Поговорка гласит: кто не знает ни одного иностранного языка, тот ничего о родном не знает. Точнее будет сказать, что по одному языку очень трудно судить о том, что вообще такое язык. Ведь язык как таковой — это то общее, что есть у всех языков, а сами языки бывают очень разными. В табасаранском языке 46 падежей, а в языке барасана 137 родов. Другой пример: в чукотском или ацтекском предложения часто состоят из двух слов — подлежащего и очень длинного сказуемого, куда втискивается все содержание фразы («старик неводорыболовил»). Любая теория, претендующая на понимание всеобщих законов развития языка, должна объяснять возникновение этих экзотических для нас примеров. Список таких примеров можно продолжать очень долго. Не правда ли, у специалиста, знакомого только с русским или английским языками, практически нет шансов создать такую теорию?
В то же время специалисты по планетам и планетным системам долгое время находились в положении подобном лингвистам. горячих юпитерах или суперземляхС началом эпохи экзопланет научное сообщество получило массу новых данных для анализа.
Прежде чем описывать данные, их необходимо собрать. Некоторые характеристики экзопланет, например период обращения вокруг звезды, достаточно легко определить. Другие параметры, включая состав, выявлять сложнее. На расстояние в несколько световых лет зонд с оборудованием для забора проб не отправишь. Более того, даже с помощью телескопа далекую планету не различишь (по крайней мере, оптическим). Как же астрономы узнают, из чего состоят экзопланеты?
Неподручные материалы
Видимость тел Солнечной системы обусловлена отражённым от них светом Солнца. С экзопланетами такой подход не работает: расстояние до телескопа приводит к тому, что планета и её звезда сливаются в одну точку, а слабый свет теряется в лучах звезды. Иногда можно разглядеть экзопланету в инфракрасном диапазоне (более сильный чем отраженный свет), но только если она гигантская и горячая. Из тысяч обнаруженных планет инфракрасные портреты есть лишь для нескольких десятков.
Открытие экзопланет чаще всего осуществляется методами транзитов и лучевых скоростей. подробно рассказывалПервый инструмент измеряет диаметр планеты, а второй — её массу.
Понимание состава небесных тел уже многое дает. Даже с учетом ограниченности наших знаний о формировании планетных систем, сложно представить себе силикатную планету размером с Юпитер или газовую — массой с Землю. В протопланетном диске для первой недостаточно силикататов, а для второй — слишком мал объем газа, чтобы удержать его собственной гравитацией.
Помимо крайних вариантов существуют промежуточные, например, суперземли и мининептуны. В свое время они оказались сюрпризом для наблюдателей: в Солнечной системе таких объектов нет. Из чего состоят планеты, которые больше Земли, скажем, в 2—4 раза? Возможно, из небольшого скалистого ядра, воды, метана и азота. А может быть, из куда более крупного ядра, окутанного водородом и гелием. Модели допускают оба варианта. Вполне возможно, что в природе встречаются оба. «Я тебя слепила из того что было», — могла бы сказать такой планете Вселенная.
Читая новости о мирах-океанахВажно понимать, что чаще всего отсутствуют прямые доказательства наличия на таких планетах воды. Астрономы делают выводы примерно так: «Да, судя по размеру и массе, эта планета в значительной мере состоит из чего-то вроде воды. А поскольку H…». 2Вода — вероятно, самый обычный элемент во вселенной, так как представлена в виде соединения О.
Хорошо, если одновременно известна масса и радиус экзопланеты. Тогда можно рассчитать ее среднюю плотность. Но подобное случается очень редко, поэтому Европейское космическое агентство для исправления ситуации отправило на орбиту… телескоп CHEOPSОн изучает планеты методом транзитов, предварительно открытые с помощью лучевых скоростей, для определения их диаметров дополнительно к уже известным массам.
Среднюю плотность измерили, к примеру, у семи планет известной системы. TRAPPIST-1Все планеты по размеру напоминают Землю, а три находятся в зоне обитаемости — с температурой, подходящей для жидкой воды.
Средняя плотность планеты сообщает не так много о её структуре. Можно изменять доли тяжёлых пород, льда, жидкостей и газа, но о точном химическом составе всё же ничего не известно.
Например, средняя плотность планеты TRAPPIST-1e больше земной. Что это значит? Возможно, на ней нет атмосферы и гидросферы, так что вся масса экзопланеты приходится на твердые породы. Это было бы печально, ведь по количеству получаемого от звезды тепла именно этот мир системы TRAPPIST больше всех похож на Землю. А быть может, там журчат ручьи и цветут яблони, просто у TRAPPIST-1e огромное железное ядро, которое увеличивает плотность.
Планета на просвет
При наблюдении экзопланет методом транзитов планета периодически проходит между своей звездой и телескопами. В результате лучи звезды просвечивают атмосферу планеты, а в спектре светила появляются следы газов атмосферы.
Во-первых, атмосфера – не вся планета. Кто скажет, что Земля на 76% состоит из азота и на 23% из кислорода, немного заблудится.
Кроме того, извлекать «отпечатки» атмосферы планет из спектра звезды — задача весьма сложная и требующая высокого качества данных. Телескопов, способных выполнить такую работу, можно пересчитать по пальцам. И никто не даст инструменту такого класса ежедневно наблюдать планеты: за его наблюдательным временем астрономы выстраиваются в очередь. исследованыНесколько десятков планет обнаружены среди тысяч посредством метода транзитов.
Исправить ситуацию призван орбитальный телескоп ARIELСпециально разработанный для анализа атмосфер экзопланет аппарат будет обследовать не менее тысячи планет. Запуск запланирован на 2029 год, но более реалистичный срок — конец 2030-х годов.
Метод имеет еще одно ограничение: современные телескопы способны изучать лишь атмосферу больших планет. Суперземли доступны для наблюдения, пусть и с трудностями, в то время как миры размером с Марс, Землю или Венеру — нет.
В конце концов, планеты склонны к образованию облаков, из-за чего просматриваются лишь верхние слои атмосферы, состав которых может существенно разниться от нижних. Есть и исключения – безоблачные миры, например KELT-9b, чья температура в 4300 °C превышает температуру большинства звезд Галактики. В ее раскаленной атмосфере отсутствуют молекулы, способные образовать облака.
Астрономы, разумеется, сполна воспользовалисьЭта удача. Но против такого метода играло ограничение: далеко не все вещества имеют спектральные линии в видимом свете. В итоге из 76 элементов таблицы Менделеева от лития до платины было обнаружено всего магний, железо, титан, натрий, хром, скандий и иттрий. Под подозрением еще кальций, кобальт и стронций, но авторы не уверены в этих результатах.
Список элементов и соединений, найденных на экзопланетах методом спектрального анализа, не так велик. Добавим водород и гелий (впрочем, присутствие двух самых распространенных во Вселенной элементов на экзопланетах никто и не сомневался), воду и углекислый газ. Последние два вещества обнаруживаются уже не в свете, а в инфракрасных лучах. Возможно, что-то упущено, но вряд ли многое. Ночному телескопу «Джеймс Уэбб» по силам обнаружить еще несколько соединений, в том числе. метан— Самые простые органические соединения, которые, однако, ещё не указывают на существование жизни.
Интересным способом изучения состава разрушенных экзопланет является поиск их остатков в атмосфере белых карликов. уже рассказывал, так что не будем повторяться.
В заключение, методы выявления состава экзопланет функционируют, однако пока недостаточно совершенны для полного удовлетворения исследователей. Согласуется это с общим явлением в науке: наиболее передовые методики неизменно требуют усовершенствований.