Космическая химия в слепую: как астрономы определяют состав планет за световые годы от Земли

Астрономы определяют состав экзопланет по спектру звезды — Naked Science

Когда-то люди могли только мечтать о существовании других миров. Сегодня астрономы уверенно говорят: за пределами нашей Солнечной системы скрываются миллиарды планет, и многие из них совершенно не похожи на Землю. Недавно телескоп James Webb впервые обнаружил углекислый газ в атмосфере далёкой экзопланеты — открытия, которое стало вехой в истории наблюдательной астрономии.

Фото: Generated by AI (DALL·E 3 by OpenAI) is licensed under Free for commercial use (OpenAI License)

Экзопланеты разных типов

Миры, которых не видно

Учёным известно уже более пяти тысяч экзопланет, и их число стремительно растёт. Однако это лишь малая доля от тех, что существуют в нашей Галактике. Вероятно, почти у каждой звезды есть хотя бы одна планета.
Судьба открытия нового мира зависит от множества факторов: от того, насколько велика планета, как далеко она расположена, под каким углом её орбита видна с Земли. Иногда небесные тела прячутся за ослепительным светом своих звёзд, и даже самые мощные телескопы не могут различить слабый отблеск.
Тем не менее исследователям удаётся находить всё новые объекты, порой совершенно неожиданные — от ледяных гигантов до планет, где металл превращается в пар.

Некоторые экзопланеты напоминают Землю и потенциально пригодны для жизни. Другие, наоборот, столь горячи, что их поверхность испаряется в космос. Астрономов интересуют все — ведь каждая открытая планета добавляет штрих к картине происхождения звёздных систем. Среди подобных открытий особое внимание привлекают исследования, где учёные ищут внеземные цивилизации на шести экзопланетах.

Новая эпоха в планетологии

До 1990-х годов учёные знали только одну планетную систему — нашу собственную. Но всё изменилось, когда появились методы, позволяющие "увидеть" невидимое. Тогда стало ясно: Солнечная система вовсе не эталон, а лишь один из бесчисленных вариантов.
Астрономы столкнулись с явлениями, о которых раньше даже не догадывались: горячие юпитеры, суперземли, мининептуны. Всё это требовало переосмысления теорий формирования планет.

Определить орбиту, массу и радиус планеты можно сравнительно просто, но узнать её состав — задача куда сложнее. Ведь послать зонд за десятки световых лет невозможно, а даже самые мощные телескопы не способны рассмотреть детали далеких миров. Об этом сообщает издание Naked Science.

Как увидеть то, чего не видно

Большинство экзопланет открывают двумя способами.

Первый — метод транзитов: когда планета проходит перед своей звездой, она на короткое время заслоняет часть света, и телескоп фиксирует это слабое затемнение.
Второй — метод лучевых скоростей, когда по колебаниям самой звезды вычисляют наличие невидимого спутника.

Комбинируя эти данные, можно определить массу и диаметр, а значит — и среднюю плотность планеты. Уже это даёт подсказку о её внутренней структуре: каменная ли она, газовая или ледяная.

Между Землёй и Нептуном

Некоторые экзопланеты не похожи ни на что, что есть в нашей системе. Суперземли и мининептуны, например, в два-четыре раза крупнее Земли. Учёные предполагают, что такие миры могут состоять из тяжёлого ядра, окружённого водородом, гелием и, возможно, водой или метаном.

Иногда, судя по массе и радиусу, можно предположить наличие океанов, но это лишь косвенные данные. Пока ни один телескоп не видел поверхность таких планет напрямую.

Методы наблюдения за экзопланетами

Сегодня в распоряжении учёных несколько инструментов, каждый из которых имеет свои достоинства и ограничения.

Метод транзитов позволяет оценить размеры и частично атмосферу, но требует идеального совпадения орбит.
Метод лучевых скоростей чувствителен к массивным планетам, но плохо различает лёгкие.
Инфракрасное наблюдение помогает "увидеть" тепловое излучение, но работает только с горячими объектами.
Прямое изображение используется редко — лишь для гигантских планет, удалённых от звезды.

Каждый из методов даёт фрагмент мозаики, и лишь их сочетание позволяет создать более полную картину.

Телескопы, меняющие представление о Вселенной

Чтобы дополнить недостающие данные, Европейское космическое агентство запустило телескоп CHEOPS. Его цель — уточнить радиусы уже открытых планет и совместить результаты с измерениями масс. Так удалось рассчитать плотность семи планет системы TRAPPIST-1, где сразу три мира находятся в зоне, пригодной для жидкой воды.
Однако даже зная плотность, нельзя сказать точно, из чего состоит планета. У TRAPPIST-1e, например, она выше земной — возможно, из-за металлического ядра или отсутствия атмосферы.

Другой инструмент, телескоп ARIEL, готовится к запуску в 2029 году. Он будет специально исследовать атмосферы более тысячи экзопланет, просвечивая их в инфракрасном диапазоне.

Плюсы и минусы спектрального метода

Метод спектрального анализа позволяет по свету звезды определить состав атмосферы планеты. Это один из самых точных подходов, но и самый требовательный к технике.

Преимущества:

даёт прямые данные о химическом составе;
позволяет обнаружить газы, указывающие на потенциальную биологическую активность;
открывает возможность сравнивать разные типы планет.

Недостатки:

требует крайне чувствительных телескопов;
применим лишь к большим планетам;
облака и пыль искажают спектр;
многие элементы не имеют заметных линий в видимом свете.

Тем не менее именно этот метод позволил впервые зафиксировать углекислый газ на экзопланете WASP-39 b и подтвердить наличие воды, водорода и гелия в атмосферах других миров.

Что мы уже знаем

На сегодняшний день в атмосферах экзопланет обнаружены лишь несколько элементов — железо, магний, натрий, титан, а также молекулы воды и углекислого газа.

"Телескоп James Webb способен уловить даже следы метана — простейшего органического соединения", — отмечается в отчётах NASA.

Однако ни одно из этих веществ пока не свидетельствует о наличии жизни. Тем не менее каждое новое наблюдение помогает уточнить модели формирования планет и понять, насколько уникальна Земля. Это особенно важно, когда речь идёт о будущем планеты, ведь ускорение вращения Земли и сдвиг времени напрямую связаны с изменениями, происходящими в масштабе всей Солнечной системы.

Вопросы о составе экзопланет

Как учёные определяют, из чего состоит экзопланета?

По массе, радиусу и спектру света звезды во время транзита можно вычислить плотность и состав атмосферы.

Можно ли увидеть экзопланету в телескоп?

Нет, в обычный телескоп планеты за пределами Солнечной системы не видны. Их "замечают" косвенно по изменению света звезды.

Есть ли среди экзопланет аналоги Земли?

Да, несколько десятков кандидатов находятся в зонах обитаемости, включая планеты TRAPPIST-1 d, e и f, где возможна жидкая вода.

Почему важно изучать состав экзопланет?

Он помогает понять, как формируются планетные системы и где могут существовать условия, подходящие для жизни.

Итоги

Исследование экзопланет стало одним из самых увлекательных направлений современной науки. Оно объединяет усилия физиков, астрономов, инженеров и программистов по всему миру. Каждый новый телескоп, каждая миссия и каждая точка в спектре света далёкой звезды приближают нас к пониманию того, как устроена Вселенная и насколько уникален наш мир. Возможно, уже в ближайшие десятилетия человечество сможет не просто определять состав атмосфер других планет, но и находить признаки жизни за пределами Солнечной системы. А пока экзопланеты остаются зеркалом, в котором мы видим отражение собственного стремления познавать неизведанное.