Ученым впервые удалось изучить атмосферу нетранзитной экзопланеты

Наблюдение далеких планет с Земли может быть не менее эффективным, чем с помощью космических телескопов: голландским астрономам удалось изучить атмосферу и орбиту классической экзопланеты, пользуясь только«наземными» данными.

Изящная методика открывает новые горизонты в исследовании экзопланет, которые не могут похвастаться наличием затмения родительской звезды, считавшегося ранее необходимым условием для наблюдения атмосферы планеты.

Еще столетия назад философы и ученые(среди них – Джордано Бруно и Исаак Ньютон) предполагали наличие планет, расположенных за пределами Солнечной системы. Они интересовали людей не столько с точки зрения познания окружающего мира, строения и эволюции Вселенной, сколько и в связи с возможностью обнаружения внеземных цивилизаций. Попытки обнаружить такие планеты предпринимались начиная с XIX века, но до 1992 года у людей не было технических возможностей, чтобы подтвердить или опровергнуть предположения об их существовании, а также выяснить, насколько они похожи на планеты Солнечной системы.

Планеты, находящиеся за пределами Солнечной системы, получили название экзопланет(«внепланет») или внесолнечных планет. В настоящее время их известно не так уж и мало: 778. В целом, согласно приблизительным оценкам ученых, на самом деле в одном только Млечном Пути существует как минимум 160 млрд планет, связанных со звездами, а счет«свободных» планетоподобных тел идет уже на триллионы.

Однако большинство известных в настоящее время экзопланет – планеты-гиганты типа Юпитера и Нептуна. Причиной этого отчасти является тот факт, что большие планеты легче обнаружить. Однако предполагается, что число планет, массы которых сравнимы с массой Земли, на самом деле превышает число планет-гигантов во Вселенной. Любая планета является крайне слабым источником света по сравнению со звездой, вокруг которой она обращается. Помимо трудностей, связанных с обнаружением столь слабого источника излучения, свет от родительской звезды вызывает на экзопланете блики, затрудняющие ее наблюдение. По этим причинам

возможность непосредственного наблюдения имеется менее чем у 5% внесолнечных планет.

Поэтому большая часть экзопланет была открыта с помощью других, косвенных методов наблюдения. Наиболее эффективным из них является наблюдение прохождения планеты по диску родительской звезды –«транзит», подобно тому что наблюдали земляне 6 июня при прохождении Венеры по диску Солнца. Для транзитных планет во время такого«затмения» ученым удается более точно определять размеры и характеристики орбиты, а также изучать атмосферу.

Маттео Броги, Игнас Шнеллен и Джейн Биркби из Лейденской обсерватории(Нидерланды) совместно с группой ученых из Массачуссетского технологического института(США), Института космических исследований(Нидерланды) и Университета города Торонто(Канада) исследовали экзопланету, обращающуюся вокруг горячей звезды тау в созвездии Волопаса(тау Волопаса). Это одна из самых ярких и самых близко расположенных к Солнечной системе экзопланет, одна из первых обнаруженных экзопланет вообще, а ее орбитальный период составляет всего несколько дней. Их работу публикует журнал Nature.

Несмотря на то что эта планета не является транзитной, астрономам удалось надежно определить параметры ее орбиты и даже изучить атмосферу.

Наблюдения проводились в интервале длин волн от 2287,5 до 2345,4 нм с помощью спектрографа, расположенного на очень большом телескопе(VLT, The Very Large Telescope), в течение трех ночей в апреле 2011 года и покрыли заметный участок планетарной орбиты(см. рисунок выше). VLT принадлежит Европейской южной обсерватории(ESO) и располагается в предгорьях Анд на горе Паранал на высоте 2600 м. С помощью спектра дневной стороны планеты, которая освещается материнской звездой(светло-серый участок планеты на рисунке), астрономы смогли определить параметры орбиты и массу экзопланеты, не являющейся транзитной.

Ученые определили, что орбита экзопланеты практически круговая, а отношение масс звезды и планеты планетарной системы тау Волопаса составляет 235,8, причем масса звезды равна 1,34 солнечной массы, а масса планеты – 5,95 массы Юпитера. Используя найденное отношение масс и полученное значение орбитального периода экзопланеты, с помощью третьего закона Кеплера астрономами была получена скорость движения планеты по орбите: она оказалась равной 157 км/с(или 565 км/ч, что приблизительно в 2 раза меньше, чем скорость звука в воздухе в сухую ясную погоду). Наклонение орбиты i составило 44,5˚.

Также авторы смоделировали спектр атмосферы экзопланеты. Для того чтобы сравнить его с наблюдательными данными, им пришлось сделать предположения по поводу отношения радиусов звезды и планеты, ведь поскольку экзопланета звезды тау Волопаса не является транзитной, то мы не можем оценить его непосредственно из наблюдений. В результате исходя из среднего радиуса для 17 известных транзитных планет с массами в интервале от 3 до 9 масс Юпитера радиус экзопланеты в системе тау Волопаса был принят равным 1,15 радиуса Юпитера, а радиус материнской звезды ученые оценили в 1,46 радиуса Солнца.

Было обнаружено, что у экзопланеты звезды тау Волопаса температура атмосферы уменьшается с увеличением высоты, в то время как у других экзопланет, подверженных интенсивной радиации со стороны горячих родительских звезд, наблюдается обратный эффект(т.н. температурная инверсия)

Наблюдаемая сильная хромосферная активность в атмосфере родительской звезды позволила предположить, что в атмосфере планеты тау Волопаса соединения, которые отвечают за температурную инверсию, разрушаются под действием ультрафиолетового излучения горячей материнской звезды.

Исследуя планетную систему тау Волопаса с поверхности земли, астрономы смогли корректно решить еще одну немаловажную задачу –«очистить» спектры звезды и планеты от линий излучения земной атмосферы(т.н. теллурических линий). Поэтому важным результатом проделанной работы помимо определения параметров планетной системы тау Волопаса является то, что

не только космические исследования, но и спектроскопические наблюдения с поверхности Земли могут быть ценным инструментом для детального анализа структуры, температуры и химического состава атмосфер экзопланет, не являющихся транзитными.

Это открывает большие возможности для изучения огромного числа далеких планетных систем, полноценное исследование которых ранее было невозможно.

ESO(The European South Observatory) – межгосударственное астрономическое учреждение, самое крупное в Европе. В настоящее время это самая продуктивная астрономическая обсерватория в мире. Штаб-квартира и центр ESO находятся в Германии и Чили, а телескопы расположены в Чили, в трех местах с уникальным астроклиматом, где воздух настолько сухой, а небо так прозрачно и спокойно, что астрономы имеют возможность получать качественные изображения небесных тел практически круглый год. Европейские коллеги предложили России присоединиться к этой организации, однако идея пока не нашла отклика у отечественных руководителей науки.