Оптическая интерферометрия прояснила состав атмосферы экзопланеты

Приемник излучения GRAVITY впервые позволил использовать технику оптической интерферометрии в ближней инфракрасной области для непосредственного наблюдения экзопланеты. Данный метод позволяет объединить возможности нескольких телескопов для получения данных высокого качества. В частности, астрономам удалось изучить исходящий непосредственно от планеты свет, несмотря на то, что излучение близкой звезды мешает этому. Благодаря этому стала возможна оценка параметров ее орбиты и состав атмосферы. Результаты опубликованы в Astronomy & Astrophysics.

На данный момент астрономы обнаружили множество экзопланет и планетных систем, но большинство этих открытий сделаны транзитным методом, при котором исследуются небольшие периодические колебания света при прохождении планеты по диску родительской звезды. Этот метод позволяет оценить период обращения и размер планеты, но ничего не говорит о ее составе. Однако для выяснения физических условий на планетах и истории их формирования необходимо точное определение масс и спектров излучения.

На сегодняшний день существует только два метода, которые позволяют оценить состав и свойства внешней поверхности экзопланет — транзитная спектроскопия и спектроскопия теплового излучения. Первая анализирует прошедший сквозь атмосферы планет свет звезд во время затмения и подходит для объектов на близких к светилам орбитах с раздутыми от нагрева газовыми оболочками. Второй способ можно использовать для определения параметров расположенных вдали от звезд молодых планет, не успевших остыть и потому все еще излучающих собственный свет. Однако порождаемые светилом фотоны могут мешать изучать свет планеты, а их поток флуктуирует в зависимости от условий наблюдений на Земле.

К возможным решениям относится вынесение приемников в космос и использование телескопов с диаметром апертуры порядка 10 метров, но в новом исследовании ученые пошли еще дальше и реализовали наблюдения на всех четырех восьмиметровых телескопах VLT в режиме интерферометра. Эта техника позволяет добиться получения данных, соответствующих телескопу с размером зеркала равным максимальному расстоянию между антеннами, что в случае VLT дает около 100 метров. Данная методика наблюдений требует очень точной временной корреляции данных с разных телескопов, из-за чего ее реализация для высоких частот чрезвычайна сложна. В то же время, в области радиоастрономии интерферометрические наблюдения давно вошли в практику, существует даже наземно-космический интерферометр — в таком режиме работает российский спутник «Радиоастрон» (в данный момент с ним потеряна связь).

Астрономам удалось разделить потоки звезды и планеты в системе HR 8799, расположенной на расстоянии 39 парсек. Данная планета называется HR 8799e, потому что была открыта четвертой, но на самом деле расположена ближе всего к своей звезде: при наблюдении с Земли угол между светилом и экзопланетой составляет всего 370 миллисекунд дуги. Ученые использовали возможности приемника GRAVITY, который собирает свет всех четырех телескопов VLT. Авторам удалось определить координаты звезды примерно в десять раз точнее, чем возможно методами прямых наблюдений. Это позволило не только с высокой точностью выяснить форму траектории (большая полуось 16,4±1,5 астрономических единицы, эксцентриситет 0,15±0,08), но и оценить угол наклона орбиты (25±8 градусов), что не получается сделать другими методами. Ученые сравнили измеренные координаты с предсказаниями динамических моделей данной планетной системы, в которых все тела находятся на стабильных орбитах, расположенных строго в одной плоскости. Эти данные позволяют полностью опровергнуть эти модели.

Также ученые получили спектр объекта с разрешением в 500 единиц и отношением сигнал/шум равным 5. В нем сразу выделяется линия угарного газа и отсутствие признаков наличия метана. Моделирование его особенностей с учетом известных линий излучения веществ позволило научной группе обнаружить в атмосфере планеты свидетельства существования облаков железа и силикатной пыли. В сочетании с избытком окиси углерода это показывает, что атмосфера HR 8799e охвачена гигантской бурей.

«Наш анализ показал, что атмосфера HR 8799e содержит гораздо больше окиси углерода, чем метана — неожиданный результат с точки зрения химии равновесных процессов. Нам удалось лучше всего объяснить этот удивительный факт вертикальными ветрами, дующими в верхних слоях атмосферы, которые не позволяют угарному газу вступать в реакцию с водородом и образовывать метан, — говорит руководитель исследовательской группы Сильвестр Лакур (Sylvestre Lacour) из Национального центра научных исследований Франции (CNRS). — Наши наблюдения свидетельствуют об освещенном изнутри газовом шаре, причем лучи света пробиваются сквозь охваченные бурей участки темной облачности. Облака из железо-силикатных частиц перемещаются под действием конвекции и разрушаются, а их содержимое выпадает внутрь планеты. Все это создает картину динамической атмосферы гигантской экзопланеты в процессе рождения, на которой идут сложные физические и химические процессы».

Моделирование физических условий на поверхности тела также позволило оценить его параметры: температура оказалась равна 1150 ± 50 кельвинам, радиус — 1,17 ± 0,12 радиусов Юпитера, ускорение силы тяжести — 10^{4,3 ± 0,3} см/с2, а масса от 6 до 17 юпитерианских с наиболее вероятным значением около 10.

Сейчас в космосе работает специально созданный для поиска экзопланет спутник TESS, который открыл 280 объектов-кандидатов всего за первые полгода работы. Недавно также удалось подтвердить первую обнаруженную телескопом «Кеплер» экзопланету. О необычных экзопланетах мы делали материал «Краткий путеводитель по галактике».

Тимур Кешелава

Источник: nplus1.ru