[JWST]: атмосферы-то у экзопланет мы найдем... из чего они состоят - вот вопрос

Поиск жизни за пределами Солнечной системы обычно сосредоточен на планетах земного типа с атмосферой, похожей на земную. Однако существует и другой класс потенциально интересных миров — планеты с плотной азотно-метановой атмосферой, напоминающей атмосферу Титана, крупнейшего спутника Сатурна. В новой работе исследователи попытались выяснить, насколько хорошо космический телескоп Джеймса Уэбба способен изучать такие экзопланеты. 

В качестве эталона ученые использовали реальные данные миссии Cassini, наблюдавшей прохождение Титана на фоне Солнца, а затем смоделировали, как выглядела бы аналогичная планета у звезды TRAPPIST-1. Для анализа были применены два современных пакета восстановления параметров атмосферы — POSEIDON и rfast, а также независимая фотохимическая модель Atmos, позволившая проверить точность получаемых результатов. 

Главный вывод оказался одновременно обнадеживающим и неожиданным. Даже при наблюдении десяти транзитов JWST уверенно обнаруживает присутствие метана и способен определить наличие плотной дымки (haze) в атмосфере, а также приблизительно оценить высоту ее расположения. Однако большинство остальных молекул — вода, углекислый газ, оксид углерода и более сложные углеводороды — остаются практически недоступными для надежного определения. Их спектральные особенности слишком слабы или перекрываются мощными полосами поглощения метана. 

Не менее важной оказалась другая проблема. Атмосфера Титана почти полностью состоит из азота, но азот практически не имеет собственных спектральных линий в диапазоне длин волн, наблюдаемом JWST. В результате алгоритмы анализа иногда приходят к совершенно неверному выводу, что атмосфера почти целиком состоит из метана, просто потому, что именно его спектральные линии хорошо видны в наблюдениях. При этом реальные модели с азотной атмосферой тоже согласуются с данными, но оказываются менее предпочтительными для алгоритма восстановления. 

Авторы также показали, что свойства органической дымки определить значительно сложнее, чем ожидалось. Различные модели аэрозольных частиц дают практически одинаковые спектры в рабочем диапазоне JWST. Заметные различия появляются лишь на длинах волн короче 1 мкм, которые телескоп Джеймса Уэбба практически не наблюдает. Это означает, что для полноценного изучения подобных миров понадобятся будущие космические обсерватории, работающие в ближнем ультрафиолетовом и видимом диапазонах. 

Работа имеет важное практическое значение. Она показывает, что даже самые совершенные методы анализа могут давать убедительные, но неверные ответы, если атмосфера содержит молекулы, плохо проявляющие себя в спектре. Поэтому авторы подчеркивают необходимость проверять алгоритмы на хорошо изученных объектах Солнечной системы, прежде чем применять их к экзопланетам, где истинный состав атмосферы заранее неизвестен. 

Таким образом, исследование дает достаточно реалистичную оценку возможностей JWST. Телескоп действительно способен обнаружить экзопланету с атмосферой, похожей на атмосферу Титана, и подтвердить наличие в ней метана и фотохимической дымки. Однако детальное восстановление химического состава и физических свойств такой атмосферы, вероятно, останется задачей следующего поколения космических телескопов. 

✊

-----

Домашнее чтение:

📖 - DOI 10.3847/1538-3881/ae7712

----

Кодируем дома:

POSEIDON — пакет для восстановления параметров атмосфер экзопланет.

🤖 - https://github.com/MartianColonist/POSEIDON

rfast — пакет для моделирования и анализа спектров экзопланет.

🤖 - https://arxiv.org/abs/2204.04231

Atmos — открытая фотохимическая модель атмосфер планет и экзопланет.

🤖 - https://github.com/VirtualPlanetaryLaboratory/atmos

Инфографика

Эта инфографика показывает, какие возможности и ограничения имеет космический телескоп James Webb при изучении экзопланет с атмосферой, напоминающей атмосферу Титана. В качестве модели использована гипотетическая планета у звезды TRAPPIST-1, обладающая плотной азотно метановой атмосферой и характерной органической дымкой. На схеме наглядно показано, какие компоненты атмосферы JWST способен обнаружить уверенно, а какие остаются практически недоступными для наблюдений.

Особое внимание уделено главной проблеме исследования. Хотя атмосфера Титана почти полностью состоит из азота, этот газ практически не имеет заметных спектральных линий в диапазоне длин волн, доступном JWST. В результате алгоритмы анализа могут ошибочно переоценить содержание метана и получить химический состав атмосферы, не соответствующий действительности. Инфографика также показывает, почему для полноценного изучения подобных миров потребуются космические телескопы нового поколения, способные вести наблюдения не только в инфракрасном, но и в видимом и ближнем ультрафиолетовом диапазонах.

  

Д-р Софи Уше

RECONNECTING…

Когда мы говорим о поиске жизни на экзопланетах, нас интересует не просто наличие атмосферы. Для астробиолога атмосфера — это своего рода архив, в котором записана история целого мира. Ее состав рассказывает о вулканической активности, химических реакциях, воздействии излучения звезды и, возможно, даже о биологических процессах. Именно поэтому так важно знать не только то, что мы видим, но и то, чего пока не видим. Если прибор уверенно обнаруживает метан, но не способен надежно определить содержание азота, воды или углекислого газа, мы рискуем построить совершенно неверную картину планеты. Можно ошибиться в оценке температуры, давления, химического равновесия и даже сделать ложные выводы о потенциальной обитаемости.

Мне особенно нравится вывод этой работы: современные телескопы уже позволяют сделать первый шаг — обнаружить атмосферу, похожую на атмосферу Титана. Но чтобы действительно понять, какой мир скрывается за этим спектром, нам потребуется увидеть всю химическую картину целиком.

В астробиологии каждый компонент атмосферы — это часть большого рассказа, и если отсутствует хотя бы одна важная глава, финал этой истории может оказаться совсем не таким, каким мы его себе представляем.