Группа астрономов под руководством Элизабет Мэтьюз из Института астрономии Общества Макса Планка (MPIA) сделала открытие, которое указывает на недостатки большинства современных моделей атмосфер

То, как были проведены эти наблюдения, имеет более широкое значение для исследований экзопланет: это интересный промежуточный шаг на пути к обнаружению и изучению экзопланет, аналогичных Земле.

Результаты были опубликованы в статье под названием «Второй визит к Eps Ind Ab с помощью телескопа «Джеймс Уэбб»: новая фотометрия подтверждает наличие аммиака и указывает на наличие плотных облаков в атмосфере экзопланеты — ближайшего суперюпитера».

Шаг за шагом к созданию второй Земли

У исследований экзопланет амбициозная долгосрочная цель: астрономы надеются, что в ближайшие несколько десятилетий им удастся обнаружить следы жизни на экзопланетах. На пути к этой цели исследования экзопланет прошли несколько этапов.

На первом этапе исследований, с 1995 по 2022 год, основное внимание исследователей экзопланет было сосредоточено на обнаружении новых экзопланет с помощью косвенных методов, которые позволяли получить информацию о массе одних экзопланет, диаметре других, а в некоторых случаях — и о массе, и о диаметре.

Когда в 2022 году начал полноценно работать космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST), исследования экзопланет вышли на второй этап: появилась качественная и подробная информация об атмосферах многих экзопланет, и исследователи начали довольно точно реконструировать их свойства.

До реальных поисков жизни на экзопланетах, для которых, как ожидается, потребуются космические телескопы следующего поколения, еще как минимум один шаг.

В новом исследовании астрономы изучают некоторые аспекты этих методов нового уровня, хотя пока и не применительно к таким планетам, как Земля.

Элизабет Мэтьюз (Институт астрономии Общества Макса Планка), ведущий автор исследования, говорит: «Наконец-то JWST позволяет нам детально изучать планеты, аналогичные планетам Солнечной системы. Если бы мы были инопланетянами, живущими за несколько световых лет от нас, и смотрели на Солнце, JWST стал бы первым телескопом, который позволил бы нам детально изучить Юпитер. Однако для детального изучения Земли нам понадобились бы гораздо более совершенные телескопы».

Неуловимые экзоюпитеры

Какими бы удивительными ни были результаты наблюдений за атмосферами экзопланет с помощью телескопа «Джеймс Уэбб», изучение аналогов Юпитера в нашей Солнечной системе оказалось на удивление сложной задачей.

Почти все газовые гиганты, изученные с помощью телескопа «Джеймс Уэбб», отличаются от Юпитера тем, что они намного, намного горячее. Для того чтобы сработал наиболее распространенный метод изучения атмосфер экзопланет, планета должна проходить перед своей звездой с точки зрения наблюдателя на Земле, а вероятность такой конфигурации гораздо выше, когда планета находится ближе к своей звезде, что, в свою очередь, делает ее сравнительно горячей.

В новом исследовании Мэтьюз и ее коллег используется другой метод. Это самое близкое к изучению аналога Юпитера исследование, и оно преподнесло как минимум один сюрприз.

Мэтьюз и ее коллеги использовали прибор MIRI, работающий в среднем инфракрасном диапазоне, чтобы получить прямые изображения планеты Эпсилон Индейца Ab.

Согласно правилам наименования экзопланет, это обозначение указывает на первую планету, обнаруженную на орбите звезды Эпсилон Индейца А в созвездии Индейца (на южном небе).

Бхавеш Раджпут, аспирант Института астрономии Общества Макса Планка, участвовавший в исследовании, говорит: «Эта планета значительно массивнее Юпитера — согласно новому исследованию, ее масса составляет 7,6 массы Юпитера, — но диаметр примерно такой же, как у нашего соседа по Солнечной системе».

Более массивный и чуть более теплый Юпитер

Эпсилон Индейца Ab находится примерно в четыре раза дальше от своей центральной звезды, чем Юпитер от Солнца. Сама звезда Эпсилон Индейца A немного менее массивна и немного менее горяча, чем наше Солнце. Поэтому температура поверхности Эпсилон Индейца Ab очень низкая — от 200 до 300 кельвинов (от -70 до +20 градусов по Цельсию).

Причина, по которой температура на планете немного выше, чем на Юпитере (140 К), заключается в том, что после формирования планеты в ней еще осталось много тепла. В течение следующих миллиардов лет Эпсилон Индейца А будет постепенно остывать и в конце концов станет холоднее Юпитера.

Астрономы использовали коронограф прибора MIRI, чтобы блокировать свет центральной звезды, который в противном случае затмил бы гораздо более тусклый свет планеты. Затем они сделали снимок с использованием специального фильтра: 11,3 мкм, что находится на границе диапазона длин волн около 10,6 мкм, характерного для молекул аммиака NH3.

Сравнение с изображениями с длиной волны 10,6 мкм, которые Мэтьюз и ее команда сделали в 2024 году, позволило астрономам оценить количество присутствующего аммиака. (Кстати, механические фильтрующие диски, на которых установлен коронограф, и фильтр перед камерой MIRI были изготовлены в Институте Макса Планка в Гархинге — это один из вкладов Германии в проект JWST.)

Неожиданное свидетельство существования облаков

В верхних слоях атмосферы Юпитера, которые можно наблюдать, преобладают аммиачный газ и аммиачные облака. Учитывая свойства Эпсилон Индейца Ab, считалось, что в ней также содержится большое количество аммиачного газа, но нет аммиачных облаков. Удивительно, но фотометрическое сравнение показало, что аммиака там несколько меньше, чем ожидалось.

Лучшим объяснением этого дефицита, по мнению Мэтьюз и ее коллег, было наличие плотных, но неоднородных облаков из водяного льда, похожих на высотные перистые облака в атмосфере Земли. Это неожиданное осложнение.

При интерпретации наблюдений такого рода астрономы сравнивают свои данные с результатами моделирования атмосфер планет. Но в большинстве опубликованных моделей не учитываются облака, поскольку их наличие значительно усложняет вычисления. Очевидно, что теоретикам придется это исправить! Джеймс Манг (Техасский университет в Остине), соавтор исследования, говорит: «Это серьезная проблема, и она свидетельствует о колоссальном прогрессе, которого мы достигли благодаря телескопу «Джеймс Уэбб».

«То, что раньше казалось невозможным обнаружить, теперь стало достижимым, и мы можем исследовать структуру этих атмосфер, в том числе наличие облаков. Это открывает новые уровни сложности, которые наши модели начинают улавливать, и дает возможность еще более детально изучить эти холодные далекие миры».

Возможность для Римского космического телескопа

С другой стороны, в скором времени появится возможность наблюдать за водяно-ледяными облаками, которые обладают высокой отражающей способностью. Космический телескоп «Нэнси Грейс» Римского космического телескопа НАСА, в создании которого участвует Институт Макса Планка, планируется запустить в 2026–2027 годах, и он должен подойти именно для таких наблюдений.

Тем временем Мэтьюз и ее коллеги подают заявки на проведение наблюдений с помощью телескопа «Джеймс Уэбб» для поиска дополнительных аналогов «холодных юпитеров». И в то время как Мэтьюз и другие астрономы узнают все больше о «холодных» экзопланетах, их методы наблюдения закладывают основу, которая, если все пойдет по плану, поможет будущим исследователям искать планеты, похожие на Землю, в поисках жизни.

В исследовании приняли участие Элизабет Мэтьюз и Бхавеш Раджпут из MPIA в сотрудничестве с Джеймсом Мангом и Кэролайн Морли (Техасский университет в Остине), Аринн Картер и Матильдой Мален (Научный институт космического телескопа) и другими.

На изображении:

Художник изобразил планету Эпсилон Индейца Ab с водяными облаками над атмосферой, в которой преобладает аммиак. Источник: Э. К. Мэтьюз, MPIA / Т. Мюллер, HdA