ru_deep_space (ru_deep_space) wrote,
ru_deep_space
ru_deep_space

Category:

Внеземная метеорология

Исследования атмосфер и климата внесолнечных планет становятся обыденностью.

401278

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 планетаe 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.

computerra.ru

----------------------------------------------

Еще по теме:

Поплаваем
Куда податься
Обитаемые Земли
Проект "SETI 2" ?
Пар и газ


Все самое интересное о космосе здесь - ru_deep_space


Tags: Поиск жизни, Экзопланеты
Subscribe

  • Непростое кольцо

    Туманность-кольцо оказалась сферой. Новые наблюдения известной туманности Кольцо привели к тому, что представления об ее строении пришлось…

  • Эволюция света

    Ученые выяснили, как менялся свет первых звезд за последние 5 млрд лет. © Dunlap Institute for Astronomy & Astrophysics/Joe Bergeron…

  • Космическое ископаемое

    Астрономы нашли в созвездии Кита древнюю галактику-"переходное звено". Ученые изучали снимки, собранные орбитальным телескопом…

Buy for 100 tokens
ProТехнику и Технологии Шпионить за Марсом - Помните, тут прошла инфа, что НАСА достались два военных телескопа? Так вот один может отправиться к Марсу. За пределы - Мега-ракета NASA доставит Skylab II в глубокий космос. Эволюция GPS - ВВС США запустили навигационный спутник GPS нового…
  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 1 comment