Охота за потенциально обитаемыми скалистыми планетами в нашей галактике была заветной целью исследований экзопланет на протяжении десятилетий. Открытие более 5900 экзопланет в более чем 4400 планетарных системах стало выдающимся достижением, однако лишь малая часть из них (217) была подтверждена как скалистые, то есть каменистые или «землеподобные».
Получение точной информации об атмосфере скалистой экзопланеты очень сложно, поскольку потенциально обитаемые скалистые планеты намного меньше по размеру и, как правило, находятся ближе к своим звёздам.
Благодаря инструментам нового поколения, таким как космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST), исследования экзопланет переходят от открытий к их характеристике. Однако пока атмосферы скалистых планет чётко не идентифицированы, а данные об атмосфере, собранные «Джеймсом Уэббом», пока подвержены некоторой неопределённости.
Краткое изложение результатов «Джеймса Уэбба» было представлено в недавнем исследовании учёных из Института астрономии им. Макса Планка (MPIA) и Лаборатории прикладной физики Джонса Хопкинса (JHUAPL). На основе их выводов они рекомендуют «задачу пяти масштабных высот», чтобы помочь астрономам в характеристике атмосфер.
Исследование проводилось под руководством профессора Лауры Крейдберг из MPIA и директора отдела физики атмосферы экзопланет (APEx). К ней присоединились Кевин Б. Стивенсон, астроном-исследователь из JHUAPL, и Консорциум по изучению обитаемости и атмосфер планет-карликов типа M (CHAMPs).
Статья с подробным описанием их выводов «Первый взгляд на скалистые экзопланеты с помощью JWST» недавно была размещена на сервере препринтов arXiv и рассматривается к публикации в «Proceedings of the National Academy of Sciences».
Благодаря передовому комплексу чувствительной инфракрасной оптики высокого разрешения, в сочетании с коронаграфами и спектрометрами, «Джеймс Уэбб» достиг впечатляющих результатов. Крейдберг сообщила, что «телескоп получил наиболее точные передаточные спектры для скалистых планет и обнаружил тепло, исходящее примерно от полудюжины скалистых планет».
«Джеймс Уэбб» также позволил провести обширные теоретические работы по прогнозированию свойств атмосфер скалистых планет, особенно тех, которые вращаются вокруг красных карликов типа M, составляющих 80% звёзд в Млечном Пути.
Наблюдения «Джеймса Уэбба» продемонстрировали, что атмосферы могут формироваться под воздействием множества физических процессов, включая доставку летучих элементов кометами и астероидами, потерю атмосферы, взаимодействие между недрами и атмосферой, а также биологические процессы.
На основе наблюдений «Джеймса Уэбба» концепция «космической береговой линии» стала популярной основой для определения того, какие планеты с большей вероятностью будут иметь атмосферы. Согласно этой концепции, планеты с более высокой скоростью убегания (более массивные планеты) и более низким облучением с большей вероятностью сохранят атмосферы.
Однако до сих пор неизвестно, как эта «береговая линия» зависит от типа звезды и истории облучения. Между тем известно, что звёзды на поздних стадиях существования подвергают свои планеты более высокому уровню высокоэнергетического излучения, особенно поздние звёзды типа M, которые, как известно, имеют расширенные фазы ультрафиолетового излучения, которые могут длиться до 6 миллиардов лет.
Более сильное воздействие высокоэнергетического излучения приводит к большей потере атмосферы, а звёзды типа M известны своей интенсивной вспышкой активности. Чтобы решить эти проблемы, команда рекомендует разработать новый подход для повышения точности идентификации атмосфер скалистых планет.
Крейдберг сказала: «Задача пяти масштабных высот — это цель достичь точности измерений, необходимой для обнаружения земных атмосферных особенностей. Крупнейшая спектральная особенность в атмосфере Земли — углекислый газ, и она охватывает около пяти масштабных высот (единица, которую астрономы используют для обозначения типичной вертикальной протяжённости атмосферы). Пока данные недостаточно точны, чтобы увидеть такую маленькую особенность, поэтому нужны дополнительные наблюдения!»
Благодаря большой апертуре, стабильности и покрытию длин волн от ближнего до среднего инфракрасного диапазона «Джеймс Уэбб» позволил астрономам наконец-то приступить к характеристике атмосфер вокруг скалистых планет. В частности, теперь можно обнаружить крошечные сигналы, ожидаемые от летучих элементов, таких как вода (H₂O), углекислый газ (CO₂), метан (CH₄), аммиак (NH₃), монооксид углерода (CO) и другие.
В будущем астрономы смогут получить передаточные и эмиссионные спектры от скалистых экзопланет вокруг звёзд типа M во время планетарных транзитов и затмений. Крейдберг добавила: «Задача пяти масштабных высот устанавливает стандарт того, насколько точными должны быть данные, чтобы обнаружить атмосферу, подобную земной».
Пока «Джеймс Уэбб» не способен изучать атмосферы аналогов Земли у солнцеподобных звёзд, будущие миссии следующего поколения, такие как Habitable Worlds Observatory (HWO), смогут это сделать с помощью прямых наблюдений. А пока предложенная командой Крейдберг концепция может помочь астрономам проложить путь, ограничив дальнейшие исследования атмосфер скалистых экзопланет.
«Мы уже добились большого прогресса в понимании того, какие скалистые планеты могут иметь атмосферы», — добавила Крейдберг. «Это важный первый шаг, задолго до того, как мы доберёмся до биосигнатур. Нам нужно научиться ходить, прежде чем мы сможем бегать!»