Из чего состоят экзопланеты и откуда мы это знаем

Недавно астрономы впервые обнаружили углекислый газ в атмосфере экзопланеты. В честь этого события Naked Science объясняет, как ученые определяют состав столь далеких планет, что их даже и в телескоп-то не видно!

Астрономам известно более пяти тысяч планет, и это, скорее всего, капля в море. Будет экзопланета обнаружена или нет, зависит от многих вещей: размера планеты, расстояния до нее, периода обращения вокруг местного солнца, ориентации орбиты в пространстве. И по каждому пункту ограничения весьма жесткие. Раз уж наблюдатели в такой ситуации ухитряются открывать далекие миры тысячами, полное число планет в Галактике должно быть сравнимо с количеством звезд: сотни миллиардов.

Некоторые из этих миров похожи на Землю и потенциально обитаемы. Другие скорее напоминают Юпитер или Нептун и заведомо безжизненны. Есть экзопланеты, раскаленные так, что там даже железо распадается на атомы, а есть ледяные. Астрономов интересуют они все, и сейчас мы объясним, почему.

Есть поговорка: кто не знает ни одного иностранного языка, не знает ничего о родном. Точнее будет сказать, что по одному языку очень трудно судить, что вообще такое язык. Ведь язык как таковой — это то общее, что есть у всех языков, а они бывают очень разными. Например, в табасаранском языке 46 падежей, а в языке барасана 137 родов. Другой пример: в чукотском или ацтекском предложения часто состоят из двух слов — подлежащего и очень-очень длинного сказуемого, куда втискивается все содержание фразы («старик неводорыболовил»). Любая теория, претендующая на понимание всеобщих законов развития языка, должна объяснять, как возникли все эти экзотические на наш слух примеры. А их список можно продолжать очень долго. Не правда ли, у горе-лингвиста, знакомого только с русским или английским, практически нет шансов создать такую теорию?

Между тем специалисты по планетам и планетным системам очень долго были в положении такого лингвиста. Они знали лишь одну систему — Солнечную, не подозревая о горячих юпитерах или суперземлях. Когда началась эра экзопланет, поток новых наблюдательных фактов порядком озадачил теоретиков.

Но прежде чем объяснять факты, их надо собрать. Некоторые параметры экзопланет (например, период обращения вокруг звезды) определить довольно просто. А вот другие, в том числе и состав — куда сложнее. На дистанцию в несколько световых лет не отправишь зонд с пробоотборником. Более того, даже в телескоп далекую планету не разглядишь (во всяком случае, в оптический). Как же астрономы выясняют, из чего состоят экзопланеты?

Неподручные материалы

Тела Солнечной системы мы видим благодаря отраженному от них свету Солнца. С экзопланетами такой номер не проходит. На таком расстоянии от телескопа планета и ее звезда почти сливаются в одну точку, и слабый отраженный свет тонет в лучах светила. Иногда экзопланету можно разглядеть в инфракрасном диапазоне (этих лучей она испускает куда больше, чем отраженного света), и то если она гигантская и горячая. Из тысяч обнаруженных планет инфракрасные портреты есть для считанных десятков.

В основном экзопланеты открывают методом транзитов и методом лучевых скоростей, о которых Naked Science подробно рассказывал. Первый позволяет измерить диаметр планеты, второй — массу.

Для определения состава это уже кое-что. Какими бы местечковыми ни были наши знания об образовании планетных систем, трудно представить себе силикатный мир размером с Юпитер или газовый — массой с Землю. Хотя бы потому, что на первый в протопланетном диске едва ли хватит силикатов, а второй не будет устойчивым: столь малая масса газа не удержится собственной гравитацией.

Но помимо крайних вариантов есть и промежуточные, например, суперземли и мининептуны. Они в свое время оказались сюрпризом для наблюдателей: в Солнечной системе таких объектов нет. Из чего состоят планеты, которые больше Земли, скажем, в 2—4 раза? Возможно, из небольшого скалистого ядра, воды, метана и азота. А может быть, из куда более крупного ядра, окутанного водородом и гелием. По крайней мере, модели допускают оба варианта. Вполне возможно, что в природе и встречаются оба. «Я тебя слепила из того что было», — могла бы сказать такой планете Вселенная.

Читая новости о мирах-океанах, важно понимать, что чаще всего нет прямых свидетельств наличия там воды. Астрономы рассуждают примерно так: «Ага, судя по размеру и массе, эта планета в значительной мере состоит из чего-то вроде воды. А поскольку H₂O — одно из самых распространенных соединений во Вселенной, скорее всего, этот неизвестный компонент и есть вода».

Лучше, когда масса и радиус экзопланеты известны одновременно. Тогда можно, по крайней мере, вычислить ее среднюю плотность. Однако это бывает настолько редко, что для исправления ситуации Европейское космическое агентство специально запустило на орбиту телескоп CHEOPS. Он наблюдает методом транзитов планеты, которые ранее были открыты методом лучевых скоростей, чтобы добавить к их известным массам еще и диаметры.

Средняя плотность измерена, например, у семи планет знаменитой системы TRAPPIST-1. Все они размерами похожи на Землю, а три из них лежат в зоне обитаемости, то есть температура там допускает существование жидкой воды.

Но средняя плотность планеты дает не слишком много информации о ее составе. Остается возможность поиграть с массовыми долями тяжелых пород, льдов, жидкостей и газов, а уж об их точном химическом составе и говорить не приходится.

Например, средняя плотность планеты TRAPPIST-1e выше, чем у Земли. Что это означает? Возможно, там нет атмосферы и гидросферы, так что вся масса экзопланеты приходится на твердые породы. Это было бы очень грустно, ведь по количеству получаемого от звезды тепла именно этот мир системы TRAPPIST больше всего похож на Землю. А быть может, там журчат ручьи и цветут яблони, просто у TRAPPIST-1e огромное железное ядро, оно-то и увеличивает плотность.

Планета на просвет

Если экзопланета наблюдается методом транзитов, это означает, что она периодически проходит между своим солнцем и нашими телескопами. Тогда лучи звезды просвечивают атмосферу планеты насквозь, и в спектре светила появляются следы атмосферных газов. Звучит заманчиво, не правда ли? Однако и у этого метода хватает ограничений.

Прежде всего, атмосфера — это не вся планета. Тот, кто решит, что Земля на 76% состоит из азота и на 23% из кислорода, несколько ошибется.

Кроме того, выделить «отпечатки» планетной атмосферы из спектра звезды — тонкая работа, необычайно требовательная к качеству данных. Телескопы, которые достаточно хороши для этого, можно, пожалуй, пересчитать по пальцам. И никто не позволит инструменту такого класса день-деньской созерцать планеты: за его наблюдательным временем астрономы выстраиваются в очередь. Неудивительно, что таким путем исследованы всего лишь десятки планет из тысяч открытых методом транзитов.

Исправить ситуацию призван орбитальный телескоп ARIEL, специально предназначенный для «просвечивания» атмосфер. Планируется, что он обследует не менее тысячи экзопланет. Однако запуск его намечен лишь на 2029 год. А учитывая, как часто создатели передовых космических аппаратов не укладываются в сроки, скорее нужно говорить о 2030-х.

Еще одно ограничение метода: нынешние телескопы позволяют исследовать атмосферу только крупных планет. Суперземели им доступны, хоть и с трудом, а вот миры размером с Марс, Землю или Венеру — нет.

Наконец, планеты имеют неприятное свойство покрываться облаками, так что «просвечиваются» только верхние слои атмосферы, которые по составу могут сильно отличаться от нижних. Правда, есть и безоблачные миры. Такова, например, KELT-9b, которая при своей температуре 4300 °C горячее большинства звезд Галактики. В ее раскаленной атмосфере просто нет молекул, которые могли бы образовать облака.

Астрономы, разумеется,  сполна воспользовались этой удачей. Но против них играло, возможно, самое важное ограничение спектрального метода: далеко не все вещества имеют спектральные линии в видимом свете. В итоге из 76 элементов таблицы Менделеева от лития до платины было обнаружено всего ничего: магний, железо, титан, натрий, хром, скандий и иттрий. Под подозрением еще кальций, кобальт и стронций, но в этих результатах авторы не уверены.

Полный список элементов и соединений, обнаруженных на экзопланетах спектральным методом, немногим богаче. Стоит добавить водород и гелий (впрочем, в присутствии на экзопланетах двух самых распространенных во Вселенной элементов никто и не сомневался и без наблюдений), а также воду и вот теперь углекислый газ. Последние два вещества обнаруживаются уже не в свете, а в инфракрасных лучах. Возможно, мы что-то и забыли упомянуть, но вряд ли многое. Недавно запущенному телескопу «Джеймс Уэбб» по силам обнаружить еще несколько соединений, в том числе метан — простейшую органику, которая, впрочем, еще не свидетельствует о наличии жизни.

Есть и еще один весьма интересный способ изучить состав экзопланет, правда, уже разрушенных. Это поиск остатков планет в атмосфере белых карликов. О нем Naked Science уже рассказывал, так что не будем повторяться.

Подводя итог, можно сказать следующее. Методы определения химического состава экзопланет есть и работают. Но работают не так хорошо, как хотелось бы ученым. Впрочем, то же самое можно сказать почти о любых методах на переднем крае науки — на то он и передний край.