Сравнение экзопланеты «K2-18b» с Землей
Недавние наблюдения при помощи телескопа James Webb подтвердили, что «K2-18b», вероятно, покрыта огромным океаном.
Недавние наблюдения при помощи телескопа James Webb подтвердили, что «K2-18b», вероятно, покрыта огромным океаном.
Для ЛЛ: наша планета выступила как аналог землеподобных экзопланет (успешно).
Ryder H. Strauss et al. / arXiv, 2024
Астрономы при помощи зонда «Галилео» обнаружили на Земле признаки наличия континентов и океанов, а также нашли кислород в атмосфере планеты. Подобные исследования важны для правильной интерпретации будущих прямых и спектральных наблюдений за экзоземлями, в том числе потенциально обитаемыми. Препринт работы доступен на arXiv.org.
Чтобы проверить методики наблюдений за экзопланетами, можно использовать данные наблюдений за полными дисками планет Солнечной системы, которые будут выступать как аналоги экзопланет. Особую роль среди таких тел занимает Земля как единственный аналог обитаемой экзопланеты, однако у ученых не так часто появляется возможность провести наблюдения всего диска нашей планеты. Обычно этим занимаются межпланетные аппараты, последний раз это делал спектрополяриметр SHAPE, установленный на перелетном модуле индийской лунной миссии «Чандраян-3».
Группа астрономов во главе с Райдером Штраусом (Ryder H. Strauss) из Университета Северной Аризоны опубликовала результаты анализа данных спектрофотометрических наблюдений за Землей, полученных зондом «Галилео» при помощи инструмента SSI и набора узкополосных фильтров во время гравитационных маневров у нашей планеты в 1990 и 1992 годах. Набор фильтров включал в себя фиолетовый, зеленый, красный и четыре ближних инфракрасных фильтра.
Изменчивость кривых блеска всего диска Земли можно объяснить меняющейся погодой и наличием континентов, океанов и облаков на вращающейся планете, а временная динамика цвета приписывается океанам (сдвиг в синюю сторону) или суше и растительности (сдвиг в красную сторону). Снижение отражательной способности при наблюдениях в некоторых инфракрасных фильтрах связывается со слабым поглощением излучения водяным паром и сильным поглощением молекулярным кислородом. Полученные результаты будут использоваться в дальнейшем для проверки трехмерной спектральной модели Земли, создаваемой Виртуальной планетарной лабораторией NASA.
Соотношение яркостей Земли при съемке в фильтрах RED/VIOLET и IR-6560/VIOLET, проведенной при пролете «Галилео» мимо Земли в 1990 году.
«Есть причина, по которой за пределами нашей Солнечной системы раньше не видели славы — для этого требуются очень своеобразные условия».
Иллюстрация WASP-76b и радужного эффекта славы в его атмосфере (Изображение предоставлено: ATG по контракту с ЕКА)
Для описания WASP-76b можно использовать множество слов: адский, палящий, неспокойный, хаотичный и даже жестокий. Это планета за пределами Солнечной системы, которая расположена так близко к своей звезде, что нагревается настолько, что испаряет свинец. Итак, как вы можете себе представить, до сих пор слово «славный» не входило в число этих слов.
Этот более позитивный дескриптор был добавлен в список совсем недавно, когда астрономы обнаружили намеки на нечто, называемое «славой», в атмосфере сверхгорячей экзопланеты Юпитер. Эффект славы, на который намекают данные миссии по поиску экзопланет Европейского космического агентства «Характеристика экзопланетного спутника» (CHEOPS), представляет собой радужное расположение разноцветных концентрических колец света, которые возникают только при особых условиях.
Этот эффект часто наблюдается над нашей планетой, а также в атмосфере нашей жестокой соседки Венеры, но ученые впервые наблюдают, как это происходит за пределами нашего космического соседства; WASP-76b находится на расстоянии 637 световых лет от нас.
Если подтвердится, что эффект происходит над WASP-76b, это может многое рассказать об этой странной и экстремальной экзопланете — мире, не похожем ни на что, что можно увидеть в нашей звездной сфере.
«Есть причина, по которой за пределами нашей Солнечной системы раньше не наблюдалось никакой славы – для этого требуются очень своеобразные условия», – заявил в своем заявлении Оливье Деманжон, руководитель группы и астроном Института астрофизики и космических наук в Португалии. «Во-первых, вам нужны атмосферные частицы, которые имеют почти идеальную сферическую форму, полностью однородны и достаточно стабильны, чтобы их можно было наблюдать в течение длительного времени. Ближайшая к планете звезда должна светить прямо на нее, а наблюдатель — здесь ХЕОПС — на расстоянии всего лишь правильная ориентация».
Обнаруженная в 2013 году WASP-76b расположена всего в 30 миллионах миль от своей родительской желтой звезды, масса которой примерно в 1,5 раза больше Солнца, а ширина — в 1,75 раза. Это расстояние составляет всего 12-ю расстояния между Солнцем и Меркурием, ближайшей к нашей звезде планетой.
В результате планета, которая примерно в 1,8 раза больше Юпитера , несмотря на то, что обладает лишь 92% массы газового гиганта, совершает оборот вокруг своей звезды всего за 1,8 земных дня. Эта близость также приводит к тому, что одна сторона WASP-76b, «дневная сторона», приливно прижата к своей звезде WASP-76. Другая сторона планеты, «ночная сторона», постоянно обращена в космос.
Поскольку дневная сторона WASP-76b подвергается воздействию радиации родительской звезды, температура там поднимается выше 4350 градусов по Фаренгейту (2400 градусов по Цельсию). Это достаточно горячо, чтобы испарить железо. Сильные и быстрые ветры на WASP-76b затем переносят пары железа на более прохладную ночную сторону планеты, где они конденсируются в капли и выпадают в виде железного дождя.
На этой иллюстрации показан вид экзопланеты WASP-76b с ночной стороны.(Изображение предоставлено: ESO/М. Корнмессер)
Намек на эффект славы над этой горячей экзопланетой является выдающимся достижением CHEOPS, запущенного в декабре 2019 года. Он иллюстрирует способность миссии обнаруживать тонкие, никогда ранее не наблюдавшиеся явления в далеких мирах.
ХЕОПС наблюдал WASP-76b почти два десятка раз в течение трех лет, пока ученые пытались понять странную асимметрию света, обнаруженную на внешних конечностях планеты, наблюдаемую, когда она пересекает или «проходит» по поверхности своей родительской звезды.
Эти наблюдения показали увеличение света, исходящего от восточной «линии терминатора» WASP-76b, раздела, где ночная сторона экзопланеты становится ее дневной стороной. Команда пришла к выводу, что такое резкое изменение светоотдачи вызвано сильным, локализованным и зависящим от направления отражением. Они называют это эффектом славы.
«Важно помнить о невероятном масштабе того, что мы наблюдаем», — сказал в своем заявлении Мэтью Стэндинг, научный сотрудник ЕКА, изучающий экзопланеты. «WASP-76b находится на расстоянии нескольких сотен световых лет от нас — очень горячая газовая планета-гигант, на которой, вероятно, идет дождь из расплавленного железа.
«Несмотря на хаос, похоже, мы обнаружили потенциальные признаки славы. Это невероятно слабый сигнал».
Эффект славы может иметь вид радуги и красочный полосатый узор, но на самом деле он сильно отличается от настоящей радуги.
Радуга создается, когда солнечный свет переходит из среды с одной плотностью в другую среду с другой плотностью, обычно из воздуха в воду. Это приводит к тому, что путь света изгибается или «преломляется», и волны разной длины преломляются в разной степени. Таким образом, белый свет Солнца разделяется на последовательные цвета, образуя знакомую упорядоченную и красочную дугу радуги.
С другой стороны, эффект славы возникает, когда свет проходит через узкий зазор. На Земле таким зазором может быть, например, пространство между каплями воды в облаках. Это вызывает другую форму преломления, называемую «дифракция», которая происходит, когда свет проходит через препятствие или отверстие.
Когда световые волны разделяются, а затем воссоединяются, там, где пики встречаются с минимумами, возникает разрушительная интерференция. Но там, где пик встречается с пиком, возникает конструктивная интерференция. В результате образуются темные и светлые полосы соответственно и концентрические цветные кольца.
Так что же означает слава для WASP-76b?
Впечатление художника от WASP-76.(Изображение предоставлено: Фредерик Питерс)
Наличие этого явления в атмосфере сверхгорячего Юпитера указывает на наличие облаков, состоящих из капель воды идеальной сферической формы, которые либо существуют не менее трех лет, либо облаков, которые постоянно пополняются.
Если облака постоянны, это указывает на то, что температура атмосферы WASP-76b, хотя и устрашающая, должна оставаться стабильной с течением времени. Это захватывающее открытие, намекающее на стабильность в мире, который долгое время считался бесконечно неспокойным.
Результаты также показывают, что эксперты по экзопланетам могут исследовать далекие миры на предмет подобных световых явлений, включая отражение звездного света от жидких озер и океанов. Это то, что может иметь жизненно важное значение в продолжающемся поиске человечеством жизни за пределами Солнечной системы.
«Необходимы дополнительные доказательства, чтобы окончательно сказать, что этот интригующий «дополнительный свет» — редкая слава», — сказала Тереза Люфтингер, научный сотрудник предстоящей миссии ЕКА «Ариэль». «Последующие наблюдения с помощью прибора NIRSPEC на борту космического телескопа Джеймса Уэбба могли бы помочь. Или предстоящая миссия ЕКА «Ариэль» могла бы доказать его присутствие. Мы могли бы даже найти более великолепно раскрывающие цвета, сияющие на других экзопланетах».
Для Деманжена это потенциальное наблюдение подтверждает постоянный интерес к исследованию адского мира Wasp-76b.
«Я участвовал в первом обнаружении асимметричного света, исходящего от этой странной планеты, и с тех пор мне очень интересно узнать причину», — заключил ученый ЕКА. «Чтобы добраться сюда, потребовалось некоторое время, были моменты, когда я спрашивал себя: «Почему ты настаиваешь на этом? Возможно, было бы лучше заняться чем-то другим со своим временем».
«Но когда эта функция появилась из данных, это было такое особенное чувство – особое удовлетворение, которое случается не каждый день».
Мы постарались сделать каждый город, с которого начинается еженедельный заед в нашей новой игре, по-настоящему уникальным. Оценить можно на странице совместной игры Torero и Пикабу.
Реклама АО «Кордиант», ИНН 7601001509
В 2008 году астрономы обнаружили раскалённую планету, в два раза превышающую по размеру Юпитер, которая неуклонно движется по спиральной траектории навстречу гибели в недрах своей звезды. По космическим меркам, это событие произойдёт относительно скоро — всего через три миллиона лет, учитывая, что среднее время жизни звезды составляет 10 миллиардов лет. Планета WASP-12b вращается вокруг жёлтого карлика, расположенного в 1400 световых годах от Солнца.
Яйцевидная экзопланета WASP-12b в представлении художника
Ранее учёные полагали, что у WASP-12b есть в запасе примерно 10 миллионов лет, но последние исследования показали, что планета врежется в свою звезду гораздо раньше. Обречённая планета вращается по столь низкой орбите вокруг жёлтого карлика, что один оборот она делает приблизительно за земной день. Высота орбиты не превышает 3,38 миллиона километров, а силы гравитации, действующие на планету, настолько велики, что придают ей яйцевидную форму. Температура на поверхности планеты составляет порядка 2210 °С, что позволяет классифицировать WASP-12b как планету типа «горячий юпитер».
До 2018 года WASP-12b считалась самой горячей из открытых планет, но теперь она уступила этот рекорд планете Kelt-9b. Долгое время WASP-12b также обладала самой низкой орбитой среди известных звёздных систем, однако с первого места её вытеснила K2-137b, которая вращается вокруг красного карлика, расположенного примерно в 322 световых годах от Земли, по орбите высотой всего чуть более 800 000 км.
Похоже, что время обращения WASP-12b вокруг своей звезды постоянно меняется. Предыдущие теории объясняли это изменением положения планеты относительно Земли и постепенным сдвигом её орбиты. Астрономы в сотрудничестве с проектом Asiago Search for Transit Time Variations of Exoplanets проанализировали 28 наблюдений планеты, сделанных в период с 2010 по 2022 год, во время её движения на фоне родительской звезды.
Исследования показали, что гибель WASP-12b примерно через 3 миллиона лет станет результатом явления, называемого «приливной диссипацией», а также выявили признаки чрезвычайно высокой активности её жёлтой звезды. Учёным удалось получить свидетельства приближающейся гибели и самой карликовой звезды. Для звёзд с низкой и средней массой, таких как WASP-12, размеры которых примерно в 1,5 раза больше Солнца, окончание горения водорода в ядре запускает период жизни, называемый «субгигантской фазой», во время которой горение водорода перемещается к внешним слоям звезды.
«Согласно приливной теории, диссипация, которую мы видим в системе, слишком сильна, чтобы её можно было объяснить звездой главной последовательности. Если бы звезда уже покинула главную последовательность и вошла в субгигантскую фазу, это можно было бы легко объяснить, — считает руководитель исследования Пьетро Леонарди (Pietro Leonardi) из Падуанского университета. — Однако, согласно нашим результатам, звезда все ещё находится на главной последовательности и не вошла в свою субгигантскую стадию».
Примерно через 3 миллиона лет, когда WASP-12b наконец погрузится в свою звезду, это вызовет изменения, которые наблюдатели смогут увидеть с Земли — при условии, что на нашей планете ещё останется разумная жизнь. «Когда планета неизбежно врежется в звезду, первым признаком будет вспышка светимости, в результате которой звезда станет в сотни раз ярче, чем сегодня, — утверждает Леонарди. — Это увеличение не продлится долго и быстро исчезнет. Но, возможно, люди будущего смогут увидеть это и изучить».
Леонарди считает, что результаты исследования WASP-12b могут указывать на то, что другие планеты такого типа также могут находиться на пути столкновения со своими звёздами. «Нам ещё предстоит выяснить, является ли то, что мы наблюдали, уникальным сценарием или обычным событием во Вселенной», — уверен он. Сейчас Леонарди в сотрудничестве с Европейским космическим агентством (ЕКА) использует спутник ExOPlanet (CHEOPS) для исследования скорости снижения орбит других «горячих юпитеров».
Галактика Андромеды — M31 — NGC 224
Галактика, расположенная в созвездии Андромеды, является ближайшей к нам крупной галактикой, и ярчайшей из спиральных галактик, после Млечного пути. Есть еще Магеллановы облака, которые по яркости соперничают с Галактикой Андромеды, но они — галактики не самостоятельные, а их спиральные структуры уже сильно разрушены приливным влиянием Млечного пути, в гравитационном плену которого они находятся уже несколько миллиардов лет. Они — наши спутники. А галактика Андромеды — это полноценный и очень крупный звёздный город, являющийся одновременно и центром влияния на другие звездные города — меньшего размера, объединивший их вокруг себя в количестве нескольких десятков.
Показаны сравнительные видимые с Земли размеры галактики Андромеды и Луны — в едином масштабе
Видимые размеры Галактики Андромеды даже глазу представляются внушительными — её угловая протяженность в несколько раз превосходит полную Луну. Правда, на городском небе можно заметить лишь небольшую — центральную часть галактики.
Иногда в процессе поиска переменных звезд обнаруживается нечто, чего искать в другой галактике не планировалось, и даже не представлялось возможным. Бывает, что астрономам помогает Его Величество Случай. В 1999 году одна из звезд галактики Андромеды проходила на фоне другой звезды той же галактики, и наблюдалось гравитационное линзирование — огибание — лучей дальней звезды вокруг более близкой. Гравитационное линзирование далеких космических объектов предсказывал более ста лет назад Альберт Эйнштейн, но наблюдаться подобные эффекты стали лишь недавно, когда созрела необходимая техническая база.
Во время гравитационного линзирования от дальнего объекта удается собрать больше света — близкий объект выступает в роли линзы. А круглая звезда работает как идеальная линза.
Но, что если линза не идеальная, и собирает свет с искажениями, проявляющимися, как неравномерности и скачки во временном графике интенсивности излучения от дальнего объекта?
Это можно объяснить разными способами. Но наиболее вероятное объяснение таково, что линзирующая звезда не одинока — у неё есть небольшой спутник — тоже звезда, но поменьше, или даже — планета. Анализ графика может рассказать об этом.
Возможно, астрономы обнаружили первую планету в другой галактике, дав название PA-99-N2b. Вывод этот пока предварительный, и еще ожидает подтверждения.
Но теперь в арсенале ученых появился еще один способ обнаружения экзопланет на очень больших расстояниях — “Микролинзирование”.
Сомнений в том, что в других галактиках тоже есть планеты, обращающиеся вокруг своих звёзд, сейчас уже ни у кого из ученых нет. Но все же наука предполагает прямое опытное подтверждение, а не апеллирование к вере. И Галактика Андромеды — наиболее вероятное место, где может произойти открытие экзопланет за пределами Млечного пути.
Надо ли говорить, что в направлении этой галактики регулярно смотрят все крупные телескопы Земли, расположенные в тех широтах, откуда галактику Андромеды видно.
Планета расположена в обитаемой зоне вокруг красного карлика TOI-715b.
Диаметр этой планеты чуть больше Земли, она обращается вокруг своей звезды всего за 19 дней.
Красные карлики — это тип небольших звезд, поэтому их яркость меньше, чем у нашего Солнца.
Поэтому для жизни пригодны только близкие к нему планеты, если они существуют.
По спектральным данным от «Джеймса Уэбба» и результатам компьютерного моделирования атмосферы астрономы показали, что экзопланета LHS 1140 b — мир-океан. Причем по характеристикам это лучший на сегодня потенциально обитаемый мир, подходящий для пристального изучения.
Планета-океан в представлении художника
Еще не так давно ученые искали экзопланеты ради простого их обнаружения. Астрономы по-прежнему порой находят необычные объекты вроде системы из шести «резонансных» экзопланет. Но гораздо активнее они теперь ищут экзопланеты, которые мы можем подробнее рассмотреть и изучить существующими инструментами.
Потенциальная обитаемость экзопланеты зависит от многих факторов, но еще больше условий накладывают доступные нам инструменты. Во-первых, система должна располагаться недалеко от нас. Во-вторых, чтобы мы могли рассмотреть атмосферу экзопланеты, она должна летать достаточно близко к звезде. В-третьих, у нее должен быть небольшой орбитальный период, чтобы не приходилось десятилетиями ждать очередного пролета.
При такой близости к звезде экзопланете сложно сохранить обитаемые условия. Как минимум звезда должна быть спокойной и не слишком испепеляющей. Например, это может быть красный карлик (спектральный класс M). Сама планета тоже должна быть небольшой, примерно размером с Землю.
За прошедшие годы удалось выявить примерно полтора десятка планет диаметром менее 1,5 диаметра Земли. Еще есть мини-нептуны, которые могут быть водными мирами, если находятся подальше от звезды. К сожалению, моделирование климата и условий на таких планетах показало, что для запуска неудержимого парникового эффекта (из-за которого планета становится непригодной для жизни) им достаточно всего 0,3 излучения, которое получает Земля от Солнца. Значит, маловероятно, что на теплых мини-нептунах сохраняется жидкая вода.
Астрономам из Лаборатории реактивного движения и Калифорнийского технологического института (США) удалось найти водный мир, по всем параметрам подходящий для дальнейших исследований. Им оказалась планета LHS 1140 b, первое описание которой вышло в 2017 году. Она летает у красного карлика LHS 1140 в 48,8 световых годах от нас, который по массе и радиусу в шесть раз меньше Солнца (15%). Дальнейшие исследования показали, что LHS 1140 b может быть обычной землеподобной планетой с N2-CO2 атмосферой или водным миром с богатой водородом атмосферой.
Чтобы точнее характеризовать экзопланету, авторы новой работы использовали данные космического телескопа «Джеймс Уэбб». Они ожидали увидеть богатую водородом атмосферу с примесями водного пара и других газов, например метана и углекислого газа. Но именно эти примеси, предсказанные компьютерным моделированием, телескоп не засек. Также с результатами наблюдений не совпали гипотезы о плотных облаках и слое дымки.
Более того, по словам исследователей, любая большая и богатая водородом атмосфера в условиях LHS 1140 b должна сопровождаться большим количеством метана. Раз у планеты нет такой плотной водородной атмосферы, то чрезвычайно низкую плотность этого мира можно объяснить только наличием большого жидкого океана (или отсутствием ядра, но это совсем маловероятно).
В условиях слабого излучения от звезды (42% от земного) и толстого слоя воды (10% массы планеты) мантия у LHS 1140 b должна быть ледяной. При очень больших давлениях водный лед может оставаться твердым даже при высоких температурах (экзотический лед), несмотря на наличие над ним океана жидкой воды. Вероятно, он частично или полностью перемешан с более глубокой каменной мантией.
Вероятно, в процессе формирования планета собрала льды, богатые углеродом и азотом, тогда атмосфера у нее должна состоять преимущественно из углекислого газа ила азота. В ее атмосфере не преобладает водород, а значит, LHS 1140 b не может быть горячей планетой-океаном. Но даже в холодных условиях, если планета поддерживает относительно плотную CO2/N2 атмосферу, на ней может сохраняться жидкий океан.
Моделирование показало, что при достаточном количестве наблюдений (как минимум девять пролетов планеты на фоне звезды) ученые смогут подтвердить наличие CO2-атмосферы. В общем, LHS 1140 b — крайне любопытный потенциально обитаемый водный мир, который можно исследовать уже сегодня с помощью инструментов «Джеймса Уэбба».