Коллектив Авторов - Цифровой журнал «Компьютерра» № 168

Компьютерра

08.04.2013 - 14.04.2013

Колонка

Исследования атмосфер и климата внесолнечных планет становятся обыденностью

Дмитрий Вибе

Опубликовано 08 апреля 2013

Тут народ всё жалуется, что нет в физике переворотов. Но переворот необязательно должен быть стремительным: утром все проснулись, а на дворе квантовая механика вместо классической. Переворот может быть ползучим: жили-жили, ничего не замечали, а потом оглянулись назад лет на двадцать и обнаружили, что живём в другой эпохе.

А ведь двадцать лет — не такой уж большой срок. Первая внесолнечная планета (у «нормальной» звезды 51 Peg) была открыта всего 18 лет назад. И этого времени оказалось достаточно, чтобы обнаружение планет у других звёзд встало на поток. Правда, значительная часть из почти девяти сотен известных экзопланет остаются пока бестелесными строчками в каталоге. Но техника совершенствуется, данные копятся, и планеты одна за другой из линий на графиках превращаются в живые миры с известными размерами, массой, цветом, температурой, химическим составом, атмосферой.

Казалось бы, для изучения физических свойств планеты её нужно как минимум увидеть. Однако это, во-первых, крайне затруднительно, во-вторых, необязательно. Даже если у вас нет возможности наблюдать планету изолированно, можно постараться вычесть из суммарного излучения «звезда+планета» вклад звезды и получить тем самым вклад планеты. Не забывая, конечно, что даже после такого вычитания вы всё равно видите, в основном, не излучение планеты, а излучение звезды, которое так или иначе изменилось в планетной атмосфере.

Возможность подобного вычитания предоставляют «горячие юпитеры» — планеты-гиганты, вращающиеся вплотную к звезде. Если мы видим такую систему в удачном ракурсе — почти с ребра, в ней периодически происходят затмения звезды планетой и планеты звездой. Когда планета находится «сбоку» от звезды, мы видим не только звёздный диск, но и планету в фазе 0,5, то есть половину дневной и половину ночной стороны (как у Луны в первой и последней четверти). Когда планета заходит за звезду (вторичное затмение), мы видим излучение звезды в чистом виде. Когда планета находится между звездой и наблюдателем (первичное затмение), мы видим ночную сторону планеты, а излучение звезды поступает к нам с некоторыми искажениями, внесёнными планетой и её атмосферой.

Конечно, слово «видим» условно. На самом деле мы видим суммарный спектр системы, меняющийся в зависимости от взаимного расположения звезды и планеты: в нём появляются и исчезают линии, меняется наклон определённых участков. При наличии общих представлений о физике планетных атмосфер из этих изменений можно вытащить параметры экзопланетных газовых оболочек.

Первое подобное исследование было опубликовано в 2002 году. Дэвид Шарбонно с коллегами обнаружили, что линии поглощения натрия в спектре звезды HD 209458 становятся более глубокими в те моменты, когда перед звездой проходит планета HD 209458b. По сути, пройдя стопами Ломоносова, они пришли к выводу, что планета «окружена знатной воздушной атмосферой», в состав которой входит как минимум натрий. Нельзя сказать, чтобы это открытие произвело сильное впечатление на современников: ни наличие атмосферы у планеты-гиганта, ни присутствие в ней натрия нельзя назвать совершенно неожиданными.

Куда интереснее оказалось наблюдение линии поглощения водорода в спектре той же звезды, опубликованное годом позже (и с тех пор неоднократно подтверждённое). Она тоже углубляется при прохождении планеты перед звездой. По величине углубления можно оценить, что водородная атмосфера планеты имеет гигантский размер, в несколько раз превышающий размер планеты (а сама планета чуть ли не в полтора раза крупнее Юпитера). На таких расстояниях планета удерживать атмосферу не может, значит, мы наблюдаем не просто атмосферу, а её внешний испаряющийся слой, точнее, испаряющийся хвост, который тянется за планетой.

Протяжённую срывающуюся с планеты водородную атмосферу тоже нельзя назвать сильной неожиданностью. Обширная водородная экзосфера есть даже у Земли, и, кстати сказать, она мешает наблюдать экзосферы внесолнечных планет на орбитальном телескопе им. Хаббла. Что уж говорить о планете, которая летает в нескольких миллионах километров от звезды и разогревается её излучением до тысяч градусов. Тем не менее это стало первым указанием на то, что мы в состоянии наблюдать не просто экзопланетные атмосферы, но происходящие в них процессы.

Важным этапом в исследованиях атмосфер иных планет стал запуск космического телескопа им. Спитцера. Инфракрасный (ИК) диапазон вообще более удобен для наблюдения экзопланет, чем оптический, поскольку в ИК яркость звезды спадает, а яркость планеты, напротив, увеличивается (за счёт собственного теплового излучения). Поэтому менее критической становится главная проблема экзопланетных исследований — грандиозный контраст между звездой и планетой.

Одно из пионерских исследований экзопланетных атмосфер в ИК-диапазоне было опубликовано в 2007 году Хизер Кнатсон и её коллегами. Они наблюдали другую популярную затменную систему «звезда-планета» — HD 189733 и смогли оценить разницу дневной и ночной температур «горячего юпитера» HD 189733b. Предполагается, что у таких планет суточное и орбитальное вращение синхронизованы: планета всегда повёрнута к звезде одной стороной. Поэтому можно ожидать, что дневная сторона будет существенно горячее ночной. У HD 189733b это оказалось не так: температура на подзвёздной стороне составляет примерно 1210 К, а на противоположной — 970 К. Это означает, что планету опоясывают сильные зональные ветры, подобные ветрам на планетах-гигантах Солнечной системы, которые эффективно переносят тепло со светлой стороны планеты на тёмную.

Наблюдения в ИК-диапазоне позволяют исследовать не только атомарный, но и молекулярный состав экзопланетных атмосфер. Причём, как показали последние работы, затмения здесь необязательны. Достаточно, чтобы плоскость орбиты располагалась под небольшим углом к лучу зрения, позволяя поочерёдно наблюдать дневную и ночную стороны планеты. Недавно объектом такого исследования стала планета 51 Peg b. В октябре 2010 года на телескопе VLT «Анту» (Европейская южная обсерватория, Чили) было проведено три сеанса её наблюдений, и в двух из них (16 и 17 октября) в ИК-спектре были уверенно обнаружены полосы поглощения воды и оксида углерода. А на третью ночь (25 октября) полосы пропали! Авторы не исключают, что ими наблюдалось некое погодное явление в атмосфере 51 Peg b. Тут-то бы и начать следить за ней пристально, но увы, конкуренция за наблюдательное время пока не позволила это сделать.

Это всё близкие к звёздам, но далёкие от реалий Солнечной системы «горячие юпитеры». Можно ли что-то сказать об атмосферах планет, которые больше походили бы на наш Юпитер? Можно! Наибольший интерес привлекает сейчас система звезды HR8799. В ней обнаружено четыре планеты-гиганта, причём все они наблюдаются непосредственно, поэтому для них можно получать прямые спектры. Правда, все они крупнее Юпитера, в несколько раз массивнее его и, несмотря на значительное удаление от звезды (от 14 до 68 а.е.), довольно горячи, с температурами порядка 1000 К. Система HR8799 молода; её возраст не превышает нескольких десятков миллионов лет, поэтому планеты ещё не успели растерять тепло, накопленное в процессе формирования.

В марте 2013 года Б. Оппенхаймер и его коллеги представили результаты ИК-спектроскопии всех четырёх планет системы, выполненные при помощи знаменитого пятиметрового телескопа Паломарской обсерватории. Содержание молекул в их атмосферах оказалось различным, причём во всех четырёх. В планете b есть аммиак, ацетилен и углекислый газ, но нет метана, в планете c наблюдаются аммиак и, может быть, ацетилен, но нет ни CO2, ни метана. В планете d есть всё, кроме аммиака, а планета e богата метаном и ацетиленом, но не аммиаком и углекислым газом. Такое разнообразие удивительно, поскольку планеты в целом не особенно отличаются друг от друга ни по массе, ни по размерам, ни по температуре. Возможно, мы просто наблюдаем их в различных климатических обстоятельствах, например в разные времена года?

В общем, как-то незаметно мы пришли к ситуации, когда климат и химический состав атмосфер внесолнечных планет становятся предметом будничного исследования. Интересно, что фантасты, кажется, ничего подобного не предсказывали. Их герои узнавали о погоде на планете, лишь подлетев к ней вплотную. Даже самым смелым писателям не приходила в голову мысль, что о ней можно узнать, не отрываясь от Земли.