Космическая обсерватория Habitable Worlds Observatory, разрабатываемая NASA, потенциально способна выявлять наличие жидких океанов на экзопланетах, схожих по своим характеристикам с Землей, посредством анализа характерного светового блеска, отражающегося от их поверхности. В результате моделирования были определены условия, при которых можно будет различить данный сигнал от обычного отражения света, вызванного атмосферой, облаками и поверхностью планеты. Для обеспечения надёжного обнаружения океанического блика оптимальным вариантом является наблюдение за планетой преимущественно в фазе серпа, когда угол между направлениями на звезду и наблюдателя с точки зрения планеты составляет приблизительно 120 градусов или более.

Исследование было проведено Элеонор Корниш и Тайлером Робинсоном из Аризонского университета. Они сосредоточились на изучении возможностей Habitable Worlds Observatory – концепции космического телескопа нового поколения, разрабатываемого NASA, основной целью которого является получение изображений потенциально землеподобных планет, вращающихся вокруг других звёзд, и изучение их атмосферы. В отличие от метода транзитов, будущая обсерватория должна будет выделять чрезвычайно слабый свет, исходящий непосредственно от планеты, из общего фона гораздо более яркого света звезды.

Определение наличия жидкой воды на поверхности потенциально обитаемых миров остаётся одной из наиболее сложных задач в астрономических исследованиях. Наличие водяного пара в атмосфере не является однозначным доказательством существования океана. В рамках новой работы авторы исследовали альтернативный возможный признак – океанический блик, который возникает вследствие зеркального отражения света звездой от поверхности жидкой воды.

Данный эффект хорошо известен на примере Земли: солнечный свет, отражающийся от поверхности моря или океана под определённым углом, создаёт яркую область. С увеличением угла падения света интенсивность зеркального отражения от воды возрастает. Поэтому на далёких экзопланетах океанический блик должен проявляться особенно заметно при наблюдении планеты не в полностью освещённом состоянии, а в фазе серпа. Согласно результатам моделирования, при определённых длинах волн данный эффект может увеличить видимую яркость Земли более чем в два раза.

Наблюдения за Солнечной системой уже демонстрируют эффективность данного подхода: отражённые солнечные лучи помогли выявить наличие жидких углеводородных морей на Титане, крупнейшем спутнике Сатурна. Однако поиск океанов на экзопланетах представляет собой гораздо более сложную задачу, поскольку даже самые передовые будущие телескопы в большинстве случаев не позволят различить поверхность планеты как отдельный диск; информацию о наличии водной поверхности потребуется извлекать из суммарного света, излучаемого всей планетой.

Для анализа этой задачи Корниш и Робинсон разработали компьютерную модель, которая учитывает влияние атмосферы и поверхности на отражённый свет. В рамках модели был учтён эффект зеркального отражения от водной поверхности, после чего были смоделированы спектральные характеристики землеподобной планеты, полностью покрытой водой, с точки зрения будущей обсерватории Habitable Worlds Observatory. Затем исследователи сопоставили результаты для планет как с океаническим бликом, так и без него, чтобы определить, при какой степени точности наблюдений телескоп сможет надёжно выявить разницу между этими двумя сценариями.

Моделирование проводилось для фазовых углов в диапазоне от 90° до 150°, с шагом в 10°, а отношение сигнал/шум варьировалось от 5 до 25. Результаты показали наличие чёткой границы: при фазовом угле около 120° и выше, модель с океаническим бликом становилась более предпочтительной по сравнению с моделью без него во всём исследованном диапазоне качества данных. Более высокое отношение сигнал/шум позволяет выявлять эффект при несколько меньших фазовых углах, однако именно область около 120° оказалась ключевой для надёжного обнаружения сигнала.

Такой результат обусловлен не только увеличением общей яркости планеты. При больших фазовых углах происходит изменение формы отражённого спектра: свет проходит более протяженный путь через атмосферу, что приводит к усилению рэлеевского рассеяния и уменьшению интенсивности коротковолнового излучения. В результате океанический блик проявляется как характерное усиление в красной части спектра. Согласно моделям, при фазовом угле около 120° различия между спектрами с бликом и без него составляли примерно 10–20%.

В ходе проверки авторами была оценена реалистичность представленных наблюдений с точки зрения будущей обсерватории. Для системы, подобной Земле и Солнцу, расположенной на расстоянии 10 парсек (около 32,6 световых лет), максимальный угловой размер планеты относительно звезды составляет приблизительно 100 миллисекунд углового размера. При фазовом угле в 120 градусов это значение снижается до примерно 86,6 миллисекунды углового размера. Проведенные расчеты указывают на то, что телескоп с диаметром около 6 метров потенциально способен функционировать при такой конфигурации, если система подавления света звезды будет обладать соответствующими характеристиками.

Тем не менее, полученный результат нельзя рассматривать как окончательное доказательство того, что Habitable Worlds Observatory сможет гарантированно обнаружить океаны на других планетах. Моделирование основывалось на предположении об идеализированном мире, полностью покрытом водной поверхностью. Авторы подчеркивают, что для реальной Земли данное допущение приводит к завышению среднего вклада отражения света примерно на 10–30%, причем конкретное значение зависит от геометрии наблюдений. Наличие облаков, континентов и аэрозолей также может внести сложности при анализе сигнала.

Существует и геометрическое ограничение: для наблюдения за выраженным океаническим отражением орбита экзопланеты должна быть ориентирована таким образом, чтобы телескоп мог наблюдать ее при достаточно большом фазовом угле. В случае, если система видна почти «сверху» относительно плоскости орбиты, необходимые фазы серповидного освещения просто недоступны для наблюдения. Кроме того, по мере приближения планеты к своей звезде на небе становится все труднее отделить их свет друг от друга.

Несмотря на существующие ограничения, океанический блик может стать одним из немногих способов получения прямого свидетельства о наличии крупного резервуара жидкости на поверхности экзопланеты. Это принципиально отличается от обнаружения водяного пара в атмосфере: комплексное изучение атмосферы и отражения света от поверхности позволит значительно повысить уверенность в оценке потенциальной пригодности удаленной планеты для известных нам форм жизни.

Заявленные выводы способны оказать влияние на технические спецификации для Habitable Worlds Observatory. В случае, если поиск океанов станет приоритетной задачей миссии, телескопу потребуется проводить наблюдения за потенциальными двойниками Земли при значительных фазовых углах, одновременно выделяя крайне слабое свечение планеты из излучения находящейся поблизости звезды. Исследователи полагают, что определённый ими порог в 120° может быть полезен при планировании стратегии наблюдений и определении параметров будущей обсерватории.

В дальнейшем предполагается разработка более правдоподобных моделей планет, где океаны будут сочетаться с материками, а также различными типами облаков и аэрозолей. Дополнительным методом подтверждения наличия жидкой поверхности может служить анализ поляризации отражённого света. Объединение нескольких независимых признаков позволит уменьшить вероятность ложного толкования другого атмосферного или поверхностного явления как океана.

Исследование представлено в виде препринта на arXiv.