Телескоп Джеймса Уэбба впервые обнаружил углекислый газ в атмосфере экзопланеты
При помощи телескопа имени Джеймса Уэбба астрономы впервые нашли диоксид углерода в атмосфере планеты — газового гиганта возле звезды класса Солнца на расстоянии 700 световых лет. Это открытие позволяет уточнить модели состава и формирования планет в других звёздных системах, а также показывает возможности нового телескопа в исследовании атмосферы экзопланет на таких расстояниях, включая каменные планеты земного типа.
Планета WASP-39 b — это газовый гигант с массой примерно ¼ Юпитера (сопоставимой с массой Сатурна), но диаметром в 1,3 раз больше Юпитера. Такая её рыхлость связана, скорее всего, с высокой температурой на ней порядка 900 °C. Планета, как и большинство открытых газовых гигантов, относится к «горячим Юпитерам» и вращается на расстоянии всего 1/8 расстояния от Меркурия до Солнца, а «год» на планете длится четверо суток. Её родительская звезда относится к классу G (как Солнце) и на небесной сфере расположена в созвездии Девы. Планету открыли ещё в 2011 году, причём по наблюдениям с земного телескопа. У планеты даже есть официальное имя Bocaprins, присвоенное Международным астрономическим союзом. Сама звезда также уже имеет имя Malmok, от IAU, но вряд ли её можно рассмотреть на небе, если не использовать телескоп с параметрами, близкими к профессиональным. Метод обнаружения также был стандартным для тех времён: исследовали периодическое потускнение звезды при прохождении планеты на её фоне (метод транзита). Орбита планеты оказалась удачно расположена по отношению к линии зрения — мы видим её почти с ребра, так что эта система — идеальный объект для изучения состава атмосферы.
При транзите планеты, то есть её прохождении на фоне звезды для земного наблюдателя, свет от звезды претерпевает два вида изменений. Во-первых, часть света блокируется планетным телом из-за чего наблюдаемая яркость звезды падает. Фиксирование таких периодических падений на световой кривой звезды — это суть «классического» метода транзита. Другое изменение спектра состоит в том, что часть света от звезды проходит по касательной через атмосферу планеты. В зависимости от её состава, отдельные линии спектра могут поглощаться, рассеиваясь на колебаниях молекул атмосферы соответствующей частоты. На Земле похожее явление наблюдается на закате Солнца, когда из видимого спектра до наблюдателя доходят в основном лучи от его красного края. Этот второй эффект, очевидно, имеет более высокий порядок малости по сравнению с общим ослаблением светового потока. Поэтому его уверенное обнаружение требовало соответствующего развития инструментария наблюдений и техники обработки данных: на ранних этапах изучения экзопланет астрономы такую роскошь, как количественное определение состава атмосферы позволить себе не могли. Но, если в распоряжении появится необходимый инструментарий, такие наблюдения позволят определять и состав атмосферы, и её толщину (по доле поглощённого атмосферой света). Как эффект следующего порядка малости, атмосфера планеты проявляет себя в виде вариаций «главной» световой кривой транзита, разных на разных длинах волн.
Как видно из рисунков, выделение необходимой части сигнала из световой кривой — сложная задача обработки данных: часто падение уровня сигнала при транзите планеты измеряется долями процента, и для получения именно спектра планеты из сигнала нужно вычесть его «постоянную» составляющую, то есть поток света от самой звезды. Трудность заключается в том, что неизбежные погрешности единичных измерений спектра чаще всего оказываются сильно больше искомой разницы сигналов. Поэтому сеанс измерения световой кривой для отдельного события транзита обычно не может дать вразумительных результатов: полезная информация тонет в шумах. Но частые транзиты планеты позволяют повторить «эксперимент» множество раз и накопить статистику полезного сигнала, тем самым уменьшив инструментальные ошибки. Для наблюдений использовался один из основных приборов телескопа — спектрометр ближнего инфракрасного диапазона NIRSpec.
После надлежащей обработки световой кривой в итоге получается «чистый» спектр планетной атмосферы. В случае с WASP-39 b в её итоговом спектре выделяется небольшое поднятие в диапазоне между 4,1 и 4,6 микронами. Такой холм — весьма нетривиальный результат для астрофизиков: это первое указание на диоксид углерода, который обнаружили на планетном теле за пределами Солнечной системы. Такой чёткий сигнал от газового гиганта позволяет надеяться, что возможностей «Джеймса Уэбба» будет достаточно и для исследования атмосферы на планетах земного типа. На этих телах атмосфера, разумеется, значительно тоньше, но можно рассчитывать, что запаса точности телескопа хватит, чтобы выделить и заведомо менее заметный сигнал от каменной экзопланеты. Статья о новом открытии «Джеймса Уэбба» должна появиться в начале сентября 2022 г. в Nature, на момент написания этой новости пока доступна её версия от авторов на arXiv.org.
Спектр атмосферы планеты был бы значительным достижением, даже если бы в нём не проявилась эта линия диоксида углерода. До этого у астрономов не было в распоряжении инструмента, который позволил бы разрешить все оттенки линий в диапазоне 3 — 5,5 микрон, то есть в ближней инфракрасной области, в которой проявляются молекулярные колебания. Не случайно команда «Джеймса Уэбба», отбирая первые пять значимых научных результатов нового телескопа для широкой публики, посчитала нужным наряду с фотогеничными снимками звёзд и галактик показать один рисунок молекулярного спектра, без объяснений мало что говорящий неспециалисту. Эта часть спектра также критична для обнаружения в атмосфере следов воды и метана. Считается, что они вместе с углекислым газом должны присутствовать в атмосфере многих экзопланет, а астробиологи, пытающиеся пока что нащупать предмет своей науки, по понятным причинам проявляют повышенный интерес именно к этим соединениям.
Знание состава атмосфер экзопланет позволяет делать выводы и об эволюции планетных систем возле звёзд. Молекулы углекислого газа служат датчиками истории формирования планеты. Так, содержание CO2 указывает на соотношение твёрдого и газового материала в момент образования планеты. В следующее десятилетие телескоп James Webb проведёт такие измерения для множества экзопланет, так что у астрономов должна появиться солидная база объектов для сравнения с телами Солнечной системы. Подобные наблюдения проводил в течение десятилетий и телескоп Hubble; сигналы от атмосфер экзопланет поэтому для астрофизиков не редкость. В частности, «Хаббл» помог обнаружить пары воды и других молекулярных соединений у множества планет (а в одной необычной серии наблюдений даже смог обнаружить признаки жизни — правда, открыл он их… на Земле. Про этот курьёзный результат можно прочитать в отдельной большой статье). Но «Хаббл» работает в основном с ультрафиолетовым и видимым диапазоном, только немного захватывая ИК-область, где возможны молекулярные колебания. Другой легендарный космический телескоп Spitzer — инфракрасный, но его параметры не идут ни в какое сравнение с телескопами следующего поколения. Телескоп Джеймса Уэбба расширяет возможости «Хаббла» и «Спитцера», прежде всего делая упор на инфракрасном диапазоне спектра, кроме того, обеспечивая гораздо большее разрешение и точность данных.
