По состоянию на октябрь 2023 года астрономы обнаружили 5506 экзопланет, вращающихся вокруг других звезд. Это число растет с каждым днем, и астрономы надеются, среди прочего, найти миры, подобные Земле. Но узнаем ли мы его, когда увидим? Как мы сможем отличить сад, похожий на Землю, от скороварки, похожей на Венеру, на расстоянии более 40 световых лет? Справится ли JWST с этой задачей? В статье, предварительно опубликованной на сервере arXiv, четыре исследователя использовали моделирование для испытания космического телескопа. Они обнаружили, что действительно существуют контрольные признаки, которые должны помочь нам отличить экзоВенеры от экзоЗемли, но есть одна загвоздка (мы к этому еще вернемся). Эта симуляция работала следующим образом: исследователи поместили шесть планет, подобных Земле, и шесть планет, подобных Венере, на расстоянии 40 световых лет от нас, каждая с разным уровнем углекислого газа (CO2), облачного покрова и дымки в атмосфере. Смоделированные планеты вращались вокруг звезды, идентичной TRAPPIST-1.
В реальном мире TRAPPIST-1 — одна из самых многообещающих систем, обнаруженных на данный момент, в которой астрономы надеются найти экзоземлю. На нем есть тусклый красный карлик (что делает наблюдение его планет более легкой задачей, чем наблюдение за ярко-желтой звездой, такой как наше Солнце). В системе есть семь скалистых миров, три или четыре из которых могут находиться в обитаемой зоне звезды. JWST уже наблюдал две самые внутренние планеты и обнаружил, что они представляют собой бесплодные камни, больше похожие на Меркурий, чем на Землю или Венеру. В симуляции орбиты тестовых планет были расположены прямо на «границе неконтролируемого парникового эффекта»: расстоянии от звезды, на котором возможна та же самая планетарная катастрофа, которая превратила Венеру в ад. Авторы нацелили на планеты смоделированный JWST, соответствующий возможностям реального инструмента NIRCSpec настоящего телескопа, который наблюдает за длинами волн света, исходящего из далеких миров. Различные соединения в атмосфере проявляются в виде пиков, узоров и пиков в спектрах, что позволяет исследователям увидеть, какие химические соединения присутствуют.
Но данные не всегда однозначны. Спектральные сигнатуры некоторых молекул скрывают сигнатуры других или имитируют их, что затрудняет точное определение того, на что мы смотрим. «Облака и дымка, подобные Венере, могут помешать обнаружению молекулярных видов или атмосферы вообще», — пишут авторы. Но это не значит невозможно, и модель была призвана помочь определить, что астрономам следует искать. Вот что они нашли: Во-первых, если вы хотите определить, есть ли у планеты вообще атмосфера, независимо от того, похожа она на Землю или на Венеру, лучше всего искать углекислый газ (CO2). Он имеет легко обнаруживаемый сигнал и остается видимым как для планет с ясным небом, так и для планет с дымкой и облаками. Но CO2 менее полезен для различения Земли и Венеры, потому что сигнатура CO2 перекрывается как с водой, так и с метаном, что запутывает данные. Есть только одна спектральная особенность, которая четко проявляется на планете типа Венеры, а не на планете типа Земли: диоксид серы (SO2). SO2 реагирует с водяным паром, поэтому, если он присутствует, это исключает влажную планету, подобную Земле, и подтверждает сухую планету, подобную Венере.
Вот в чем загвоздка. В реальном мире на Венере не так уж и много SO2. УФ-излучение солнца уничтожило его. Но надежда еще есть. Вокруг красного карлика, подобного TRAPPIST-1, SO2 будет существовать гораздо дольше, что сделает возможным обнаружение SO2 в этом сценарии. «Уменьшение УФ-излучения от TRAPPIST-1 позволяет SO2 иметь увеличенное время жизни в атмосфере экзоВенеры, что повышает вероятность обнаружения SO2», — утверждают авторы. Что касается планеты, похожей на Землю, то лучший признак, на который стоит обратить внимание, — это метан. Существуют особенности поглощения метана, которые не проявляются на Венере, и их можно четко отличить от CO2. Более того, если метан сопровождается кислородом, это может быть свидетельством жизни. Исследователи также подсчитали, сколько времени потребуется JWST, чтобы увидеть каждую из различных химических сигнатур, и подтвердили, что это выполнимо в разумные сроки. Самый большой вывод из этих новых моделей? «Вероятно, будет легче подтвердить экзоземлю, чем экзовенеру», заключают авторы.
