В чем состоит сложность изучения экзопланет? С помощью каких способов можно получать информацию об атмосфере экзопланеты? Почему сейчас ученые могут изучать только горячие юпитеры, сверхземли и молодые планеты? На эти и другие вопросы отвечает доктор физико-математических наук Сергей Попов.

Изучать экзопланеты очень трудно. Это маленькие объекты, которые находятся далеко, да еще вдобавок находятся рядом с яркими звездами. Поэтому наши знания о них довольно ограничены, и тем больше удивляет, когда мы можем все-таки выяснять какие-то детали. Когда лет десять назад я услышал от коллеги, что они начали изучать химический состав атмосферы экзопланеты, я искренне не поверил. Но оказалось, что это действительно так. И примерно за последние десять лет мы очень много узнали об атмосферах экзопланет.

Конечно, для многих самое интересное было бы заглянуть в недра экзопланет, но это совсем трудная задача. Атмосфера — это то, что находится снаружи, и поэтому есть прямые способы для ее изучения. Тем не менее даже эти прямые способы в основном довольно экзотичны, и люди пытаются обратить недостаток в достоинство — использовать наличие яркой звезды с мощным потоком излучения для изучения экзопланеты.

Одна из идей такова. Мы наблюдаем много так называемых транзитных планет и открываем их по падению блеска звезды, когда планета проходит между нами и звездой, немного затмевая диск. Но, естественно, обращаясь вокруг звезды, планета проходит и за звездой. Два этих процесса позволяют многое узнать об атмосфере экзопланеты. Вначале планета проходит перед звездой, и звезда как бы просвечивает экзопланету. Если есть мощная газовая оболочка, то она будет по-разному взаимодействовать с излучением разной длины волны. Это особенно заметно в инфракрасном диапазоне, поэтому для наблюдения используют телескопы, которые стоят на космических аппаратах.

Рекомендуем по этой теме:
49418
Экзопланеты

Такие наблюдения позволяют увидеть, что размер планеты разный на разных длинах волн. То есть мы смотрим на длине волны один микрометр — мы видим планету одного размера, смотрим на длине волны два микрометра — видим планету другого размера. И это позволяет определить свойства атмосферы и иногда состав, поскольку одним из основных элементов, который взаимодействует с инфракрасным излучением, оказывается вода. И во многих случаях мы действительно можем восстановить структуру внешних слоев газовой оболочки планеты, наблюдая ее на просвет. Это, конечно же, выделяет большие планеты, для которых мы достаточно точно можем измерять радиусы, которые находятся близко от своих звезд и у которых сильно прогрета атмосфера. Таким способом в основном изучают горячие юпитеры — большие газовые планеты, которые находятся совсем рядом со своими звездами, находясь на расстояниях примерно как Меркурий от Солнца и ближе.

Другой тип планет, который выделяется для другого типа наблюдений, — это молодые объекты, молодые планеты с возрастом менее 100 миллионов лет. Они еще находятся на стадии формирования, они еще поджимаются, оседают, падают сами на себя. И это приводит к выделению энергии, планета сама себя греет, греет изнутри. И тогда мы можем поместить планету далеко от звезды, но она будет все равно горячей за счет своего внутреннего тепла. И тогда мы можем проводить прямые измерения, прямые наблюдения внешних слоев планеты и непосредственно изучать ее спектр. Это, наверное, самое замечательное, и все равно это работает пока только для гигантских планет, поскольку именно они долго-долго усаживаются и могут существенно разогреть себя таким внутренним теплом, связанным с процессом формирования планеты.

В некоторых случаях мы можем прямо получать спектр экзопланеты, и тогда люди ищут какие-то спектральные линии, соответствующие, скажем, углекислому газу, или окиси углерода, или воде. И в новостях мы читаем, что на какой-нибудь экзопланете обнаружили воду. На самом деле это не надо воспринимать так, что там обнаружили жидкую воду на поверхности — это пары воды во внешних слоях атмосферы гиганта. Тем не менее это все равно очень интересно.

В некоторых случаях ситуация оказывается более забавной. Например, удалось исследовать спектр одной из сверхземель, то есть относительно небольшой планеты, которая по своим параметрам находится примерно между Землей и Нептуном. Был получен очень хороший спектр, и в нем не обнаружили никаких деталей. Казалось бы, если деталей нет, значит, мы и сказать ничего не можем. На самом деле не совсем так, потому что важно понять, почему нет деталей. Детали формируются в самой атмосфере, то есть луч света должен был от звезды уйти, войти в атмосферу планеты, проделать какой-то путь, отразиться, пойти обратно, попасть в наш детектор и сообщить нам о том, что там есть какие-то элементы.

Если мы никаких деталей не видим, это значит, что луч, отразившись от самых внешних слоев, не вошел в атмосферу.

Но что может отражать в самых внешних слоях? Только облака. И тот факт, что для данной сферы земли мы не видим никаких деталей в спектре, однозначно говорит о том, что эта планета покрыта очень плотным слоем облаков, то есть приносит довольно интересную информацию о свойствах атмосфер таких объектов.

Изучение атмосфер экзопланет, с одной стороны, осложняется, а с другой стороны, делает всю задачу более интересной благодаря тому, что чаще всего мы изучаем атмосферы планет, у которых нет аналогов в Солнечной системе. В Солнечной системе у нас есть маленькие планеты с тонкими атмосферами, такие как Земля, Венера и Марс, и есть газовые гиганты и ледяные гиганты, которые находятся очень далеко от своих звезд.

Изучать атмосферы таких планет в случае экзопланет мы не можем, это станет возможным, может быть, через несколько десятилетий. Пока же мы изучаем в основном горячие юпитеры, или какие-нибудь горячие сверхземли, или совсем молодые планеты. Опять-таки в Солнечной системе таких нет, она сформировалась более 4 миллиардов лет назад.

Поэтому встает очень нетривиальная задача, которую интенсивно моделируют на компьютерах. Например, если у нас есть горячий юпитер, то звезда действительно сильно его прогревает. Температура в подзвездной точке, в подсолнечной точке на такой планете может составлять несколько тысяч градусов. Конечно же, звезда греет только одну сторону планеты и, конечно же, сильнее всего на экваторе. Это означает, что возникает очень большая неоднородность температур во внешних слоях такой планеты. И тепло нужно будет переносить с дневной стороны на ночную. И это в свою очередь означает, что на таких планетах дуют очень мощные ветры.

Почти всегда горячий юпитер обращен к своей звезде одной стороной, и поэтому задача упрощается, и люди активно пытаются моделировать такие ветры. Оказывается, что они дуют с огромной скоростью, в десятки, сотни раз большей, чем ветры в земной атмосфере. Это страшно интересно. Удивительно, что в некоторых случаях мы прямо можем такие ветры наблюдать. Это видно в уникальном случае, когда планета практически испаряется звездой, она очень сильно нагрета, и внешняя оболочка частично улетучивается. Там детальные спектральные наблюдения позволили не только выделить спектральные линии элементов, но и определить, что они дополнительно смещены, то есть у того газа, который вносит вклад в спектр, есть какая-то дополнительная скорость. И единственное здравое объяснение — что это ветер, который дует на этой планете, и ветер имеет гигантскую скорость — 2 километра в секунду, то есть на Земле это соответствует практически скорости ракет.

Рекомендуем по этой теме:
13105
FAQ: Атмосфера Венеры

Даже если мы не видим никаких ветров и не видим спектра, мы все равно можем изучать атмосферы экзопланет, если мы видим очень горячие планеты. Вспомним, что планеты могут нагреваться как светом звезды, так и внутренним теплом, то есть возникают планеты, которые можно назвать такими раздутыми юпитерами. В них кроме, может быть, сильных ветров существуют существенные перемешивания атмосферы, связанные с выделением тепла внутри. И изучая, как радиусы планет при данной массе зависят от температуры внешних слоев звезды, мы можем пытаться что-то понять про эти толстые газовые оболочки, про толстые атмосферы планет, не заглядывая прямо внутрь.

Еще некоторую информацию об атмосферах экзопланет можно узнать просто из того, как хорошо они отражают излучение. Астрономы называют это альбедо — какую долю падающего излучения планета может отражать. Доля отраженного излучения зависит от количества облаков, от их химического состава, и, естественно, она будет разной на разных длинах волн. Собирая всю эту информацию, мы можем что-то узнавать о самых внешних слоях, где как раз формируется отраженный сигнал.

Наконец, совсем в редких случаях мы можем получать некую картинку атмосферы.

Это не значит, что с помощью каких-то удивительных телескопов мы смогли прямо рассмотреть экзопланету. К сожалению, пока это невозможно. Но, к счастью, есть способ отсканировать экзопланету. И мы снова вспоминаем о транзитных планетах. Она прошла перед звездой, и ее затмило, а потом планета проходит за звездой. И мы можем видеть, как планета постепенно закрывается звездой: мы вначале видим всю планету, потом один кусочек закрывается звездой, полпланеты закрылось звездой, и она совсем исчезла. Она вылезает с другой стороны звезды, и мы видим всю картину обратно.

Таким образом, мы можем восстановить распределение яркости по поверхности экзопланеты. И в одном случае удалось надежно показать, что это распределение яркости неоднородно, на планете есть существенно горячее пятно. И это очень здорово, это первая, пусть и очень примитивная, карта экзопланеты — карта не ее поверхности, конечно, а внешних слоев ее атмосферы. Тем не менее это приносит очень важную информацию и заставляет еще раз задуматься о том, как много мы можем узнавать об объектах, которые часто напрямую вообще не можем наблюдать.