Звезда, подсвечивающая атмосферу планеты
Несмотря на то, что в последнее время астрономы открыли уже тысячи экзопланет, определение обитаемости такой планеты представляет собой сложную задачу. Поскольку напрямую эти планеты изучать мы не можем, учёным приходится искать непрямые признаки. Они известны как биомаркеры, и состоят в появлении побочных химических продуктов, которые мы связываем с органической жизнью, появляющихся в атмосфере планеты.
В новом исследовании команда учёных НАСА предлагает новый метод поиска потенциальных признаков жизни за пределами Солнечной системы. Они предлагают воспользоваться частыми звёздными штормами, происходящими на молодых карликовых звёздах. Эти шторма выбрасывают огромные облака звёздного материала и излучения в космос, взаимодействующие с атмосферами экзопланет и выдающие биомаркеры, которые мы можем засечь.
Недавно в журнале Nature Scientific Reports появилось исследование "Сигнализирующие о жизни огни в атмосфере экзопланет вокруг звёзд классов G и K". Им руководил Владимир Айрапетян, ведущий астрофизик в подразделении гелиофизики (Heliophysics Science Division, HSD) Годдардского центра космических полётов НАСА. В его команду входили члены Исследовательского центра Лэнгли НАСА, центра Инкорпорированных научних систем и прикладных применений (Science Systems and Applications Incorporated, SSAI) и Американского университета.
Сигнальные огни жизни могут помочь исследователям определить потенциально обитаемые миры
Обычно исследователи ищут признаки наличия кислорода и метана в атмосфере экзопланет, поскольку именно они являются хорошо известными побочными продуктами органических процессов. Со временем эти газы накапливаются и достигают таких концентраций, которые можно засечь при помощи спектроскопии. Однако такой подход отнимает много времени и требует от астрономов многих дней работы, когда они пытаются увидеть спектр с удалённой планеты.
Айрапетян с коллегами утверждают, что на потенциально обитаемых мирах можно искать и более грубые признаки. Такой поиск будет основываться на уже существующих технологиях и ресурсах, и отнимет гораздо меньше времени. Арапетян объяснил в пресс-релизе следующее:
Мы ищем молекулы, сформированные необходимыми фундаментальными условиями существования жизни – в особенности, молекулярный азот, из которого состоит 78% нашей атмосферы. Это базовые биологически дружественные молекулы, способные испускать мощные инфракрасные волны, что увеличивает наши шансы на их обнаружение.
Используя Землю в качестве примера, Айрапетян с командой разработали новый метод поиска признаков таких побочных продуктов, как водяной пар, азот и кислород, в атмосферах экзопланет. Но самое сложное – воспользоваться преимуществами случаев экстремальной космической погоды, происходящих на активных карликовых звёздах. Эти события подвергают атмосферы планет вспышкам излучения и вызывают химические реакции, которые способны увидеть астрономы.
Представление художника о холодной красной звезде над далёкой экзопланетой
У звёзд типа нашего Солнца, жёлтого карлика класса G, такие погодные события часто случаются в молодости. Но иные жёлтые и оранжевые звёзды остаются активными миллиарды лет, и на них случаются шторма высокоэнергетических заряженных частиц. А красные карлики класса M, самые распространённые звёзды во Вселенной, остаются активными всю свою долгую жизнь, периодически бомбардируя свои планеты мини-вспышками.
Достигая экзопланет, вспышки вступают в реакцию с атмосферой и приводят к разложению азота N2 и кислорода O2 на атомы, а водяного пара – на водород и кислород. Распавшиеся азот и кислород вызывают каскад химических реакций с появлением гидроксила OH, большего количества молекулярного кислорода O2 и окиси азота NO – именно их учёные и называют атмосферными сигналами.
Эти молекулы поглощают энергию света звезды, достигающего атмосферы, и испускают инфракрасное излучение. Изучив определённые длины волн этого излучения, учёные могут определить наличие конкретных химических веществ. Сила сигналов этих элементов также говорит об атмосферном давлении. Все вместе полученные данные позволяют учёным определить плотность и состав атмосферы.
Десятилетиями астрономы использовали модель подсчёта формирования озона O3 в атмосфере Земли из кислорода, подвергающегося воздействию солнечного излучения. Та же модель, с учётом погодных событий, ожидаемых от холодных активных звёзд, позволила Айрапетяну с коллегами подсчитать, сколько именно окиси азота и гидроксила должно сформироваться в землеподобной атмосфере и сколько озона должно быть уничтожено.
Космический корабль НАСА TIMED, наблюдавший за атмосферой Земли 15 лет (рисунок)
Для этого они взяли данные с миссии Thermosphere Ionosphere Mesosphere Energetics Dynamics (TIMED), изучающую формирование подобных атмосферных сигналов в атмосфере Земли. Конкретно они использовали данные с инструмента SABER, позволившие им провести симуляцию того, какое инфракрасное излучение сигнальных химических веществ можно будет получить в атмосферах экзопланет.
Как отметил Мартин Млинчак [Martin Mlynczak], научный руководитель Исследовательского центра в Лэнгли, и соавтор работы:
Учитывая то, что нам известно по поводу инфракрасного излучения, исходящего от атмосферы Земли, мы решили изучить экзопланеты и посмотреть, какие сигналы от них мы сможем засечь. Если мы обнаружим сигналы с экзопланеты, идущие примерно в тех же пропорциях, что и с Земли, мы сможем сказать, что эта планета – неплохой кандидат для поддержания жизни.
Они обнаружили, что частота сильных звёздных штормов напрямую связана с силой тепловых сигналов, исходящих от сигнальных веществ в атмосфере. Чем больше случается штормов, тем больше создаётся сигнальных молекул, в результате чего их сигналы получаются достаточно сильными для того, чтобы их можно было увидеть с Земли при помощи космических телескопов всего за два часа наблюдений.
Вид на экзопланету с её луны (в представлении художника)
Также они нашли, что этот метод позволяет отсеять экзопланеты, не обладающие похожим на земное магнитным полем, которое естественным образом взаимодействует с заряженными частицами Солнца. Наличие подобного поля гарантирует, что атмосферу не сдует с планеты, в связи с чем оно необходимо для обитаемости. Как пояснил Айрапетян:
Планете требуется магнитное поле, защищающее атмосферу от звёздных штормов и излучения. Если звёздные ветра не настолько сильны, чтобы прижимать магнитное поле экзопланеты к её поверхности, магнитное поле предотвращает потерю атмосферы, в ней остаётся больше частиц, что даёт более сильный инфракрасный сигнал.
Эта модель важна по многим причинам. Она показывает, как подробные исследования земной атмосферы и её взаимодействий с космической погодой используются для изучения экзопланет. Также она может позволить провести новые исследования пригодности для жизни экзопланет, имеющихся у звёзд определённых классов – как у жёлтых и оранжевых, так и у холодных красных карликов.
Красные карлики – самые распространённые звёзды во Вселенной. В спиральных галактиках их порядка 70%, а в эллиптических – 90%. Более того, на основе недавних открытий астрономы высоко оценивают вероятность появления у красных карликов систем из каменистых планет. Исследовательская команда также предполагает, что космические инструменты следующего поколения, такие, как телескоп Джеймса Уэбба, увеличат вероятность обнаружения обитаемых планет при помощи данной модели.
Как художник представляет себе планету на орбите вокруг звезды Альфа Центавра В – члена тройной звёздной системы, ближайшей к Земле.
Как сказал Уильям Данчи, астрофизик из центра Годдарда и соавтор исследования:
Новые идеи по поводу возможности наличия жизни на экзопланетах сильно зависят от междисциплинарных исследований, в которых используются данные, модели и технологии, полученные из четырёх подразделений Годдардского центра: гелиофизики, астрофизики, планетарных и земных наук. Эта смесь порождает уникальные и многообещающие способы исследования экзопланет.
До того, как у нас будет возможность изучать экзопланеты напрямую, любые разработки, из-за которых биомаркеры становятся виднее и проще в обнаружении, остаются крайне важными. В ближайшие годы проекты Project Blue и Breakthrough Starshot надеются провести первые непосредственные исследования системы Альфа Центавра. Но пока что улучшенные модели, помогающие нам искать потенциально обитаемые экзопланеты у бесчисленного количества звёзд, бесценны!
Они не только серьёзно улучшают наши знания о частоте возникновения подобных планет, они могут даже помочь нам найти одну или несколько планет Земля 2.0!
