Даже имея самое четкое изображение, полученное с помощью лучшего телескопа в мире, астрономы все равно не будут знать, на что они смотрят. Требуется фундаментальное понимание физики, особенно того, как работает свет, чтобы получить научные данные из изображений, которые получают такие телескопы, как космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST). Чтобы помочь в этом понимании, целая группа разработчиков физических моделей пытается понять, как будут выглядеть различные сценарии с использованием различных технологий телескопов. Новая статья, размещенная на сервере препринтов arXiv, идеально вписывается в эту схему, в которой исследователи из Калифорнийского университета в Риверсайде, НАСА Годдарда, Американского университета и Университета Мэриленда решили смоделировать, как, по их мнению, будет выглядеть вулканическая активность на экзопланете вокруг Солнца. как звезда.
Так почему же вулканическая активность так важна? Проще говоря, это косвенный способ заглянуть внутрь экзопланеты и увидеть, какая геология может скрываться под ее поверхностью. По своей сути вулканы извергают все, что находится внутри планеты, наружу, особенно в атмосферу. Таким образом, любой телескоп, который сможет получить изображение атмосферы вулканической экзопланеты, сможет увидеть, из чего состоит ее внутренняя часть. В настоящее время лишь несколько телескопов достаточно мощны, чтобы даже обнаружить атмосферу экзопланет, и JWST — один из них. Однако он способен обнаруживать их только вокруг красных карликов. Звезды, по яркости подобные нашему Солнцу, засорили бы сенсоры телескопа, сделав их данные бесполезными. Но это может быть не так для будущих поколений телескопов. В частности, один из них называется телескопом LUVOIR, который пока находится только на стадии концепции. LUVOIR потенциально может, по крайней мере, в его нынешних характеристиках, напрямую отображать атмосферы экзопланет размером с Землю, вращающихся вокруг звезды, похожей на Солнце, на расстоянии около 1 а.е.
Но что это на самом деле означает? Изображения таких далеких объектов требуют особого понимания для расшифровки. Это не так просто, как визуально увидеть Эйфелеву башню на фоне картинки. Речь идет больше об интерпретации данных таким образом, чтобы их можно было перевести в научное понимание того, что может захватить телескоп. Один из лучших способов придумать шифр — проверить возможности телескопов на уже известных нам объектах. Одним из наиболее изученных объектов во Вселенной является сама Земля. Мы понимаем спектры нашей атмосферы до мельчайших деталей. Мы также можем смоделировать то, как, по нашему мнению, она будет выглядеть для таких телескопов, как LUVOIR. Хотя возможность найти другую Землю является одновременно убедительной и, откровенно говоря, реальной возможностью, в этой статье мы более детально рассматриваем модель «экзоЗемли» — какие изменения могут произойти в сигнале в зависимости от присутствия различных извержений вулканов?
Как упоминалось выше, вулканы — один из лучших способов удаленно заглянуть в ядро планеты, поэтому планетологи хотят получить как можно больше данных. И опять же, наши лучшие данные собираются здесь, на Земле. Мы понимаем, какие химические вещества исходят из местных вулканов и могут быть уловлены в спектроскопических сигнатурах атмосферы экзоземли. У LUVOIR есть три основных спектрографа, которые фокусируются на разных длинах волн света: ультрафиолетовом, видимом и ближнем инфракрасном. В моделях невулканизированной экзоземли длина волны УФ показала высокую чувствительность к озону, тогда как обычный кислород и водяной пар были более заметны в видимом свете. Вода сама по себе была наиболее видимым элементом в ближнем инфракрасном диапазоне.
Какое все это имеет отношение к вулканам? Аэрозоли, которые вулканы выбрасывают в воздух во время извержений, нарушают спектральные показания по крайней мере некоторых из этих элементов, особенно воды. Согласно статье, «во время извержений особенности поглощения H2O были почти полностью скрыты вулканическими аэрозолями». Это кажется довольно четким показателем того, что если LUVOIR видит планету со сплошной спектральной полосой в видимом и ближнем ИК-спектрах, и эти значения резко меняются в течение периода наблюдения, это, вероятно, вызвано какой-то формой вулканизма. Еще одним показателем является наличие диоксида серы (кислотных дождей) в атмосфере экзопланеты. Этот газ имеет относительно короткий срок жизни, но постоянно извергается извержениями вулканов. К сожалению, его спектральная линия поглощения, которую сможет уловить LUVOIR, почти полностью скрыта аналогичной линией для озона, что затрудняет выделение присутствия SO2 в данных.
В целом, спектральная характеристика продолжающегося вулканизма, по-видимому, наиболее соответствует вариациям УФ-спектров (т.е. озона) и видимого света (т.е. O2 и воды). В частности, высокий всплеск вокруг спектральной линии озона может указывать на наличие продолжающегося активного извержения. Но какова вероятность того, что мы найдем такую планету с помощью LUVOIR? Около 90%, согласно модели, обсуждаемой в статье. По крайней мере, если мы наблюдаем 47 планет, похожих на Землю, вокруг звезд, подобных Солнцу, вероятность действительно достигнет такого высокого уровня. Учитывая, что уже существует более 5000 подтвержденных экзопланет, шансы, что LUVOIR обнаружит 47 экзопланет, подобных Земле, довольно высоки. Однако пройдет некоторое время, прежде чем мы узнаем наверняка. В настоящее время предполагается, что LUVOIR будет запущен в 2039 году, а все данные, которые мы сможем собрать, чтобы увидеть атмосферу любой экзопланеты, будут отправлены в 2040-е годы. Может показаться, что это займет много времени, но, по крайней мере, это дает теоретикам больше времени для разработки моделей того, что мы можем ожидать увидеть. Будем надеяться, что будет много нового для анализа, а не только вулканы.
