23.07.2025. - Поиск пригодных для жизни экзопланет

Поиск пригодных для жизни экзопланет

Поиск пригодных для жизни экзопланет является ключевым приоритетом и находится на вершине науки об экзопланетах. Научное сообщество четко заявило об этом в обзоре 2020 года по астрономии и астрофизике за 2020 год (Astro2020). В этом обзоре поиск пригодных для жизни миров был назван приоритетом в отчете "Пути к обитаемым мирам".

Важнейшей частью понимания и идентификации пригодных для жизни миров является понимание того, как эволюционируют их атмосферы, включая выход из атмосферы. Выход из атмосферы является естественной частью планетарной эволюции, и это происходило на протяжении всей истории Земли. Однако в ранней истории Земли оно было гораздо более выраженным из-за выброса энергии Солнцем и более частых столкновений с астероидами и кометами. В настоящее время выброс минимален, хотя и постоянен.

Поскольку в ранние годы жизни планеты утечка атмосферы гораздо более выражена, это может повлиять на ее пригодность для жизни в будущем. Это лежит в основе нового исследования, которое будет представлено на предстоящей конференции "На пути к обсерватории обитаемых миров: перспективная наука и трансформационные технологии" в Вашингтоне, округ Колумбия.

Новое исследование объясняет, как ученые-экзопланетологи могут использовать обсерваторию обитаемых миров (HWO) для изучения и измерения выхода атмосферы на экзопланетах. Она называется "Наблюдения за выходом экзопланет из атмосферы с помощью обсерватории обитаемых миров", а ее авторами являются Леонардо Дос Сантос и Эрик Лопес. Душ Сантуш работает в Научном институте космических телескопов, на кафедре физики и астрономии Университета Джона Хопкинса, а Лопес - в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА. Результаты опубликованы на сервере препринтов arXiv.

На данный момент HWO - это всего лишь предложение, и, учитывая нынешнее политическое руководство в США, его будущее под вопросом. Но ученые все еще работают над концепцией, в том числе над различными способами использования ее наблюдательных возможностей. HWO будет представлять собой космический телескоп, работающий в оптическом, инфракрасном и ультрафиолетовом излучении, и будет иметь зеркало диаметром до 8 метров. Его конструкция все еще находится на стадии разработки и может включать в себя звездообразную оболочку, отделенную от телескопа десятками тысяч километров.

"Используя ультрафиолетовые возможности обсерватории обитаемых миров (Habitable Worlds Observatory), мы можем использовать транзитную спектроскопию для наблюдения за выходом атмосферы из экзопланет и изучения процессов, которые формируют их эволюцию, оценки способности малых планет сохранять свою атмосферу и поиска признаков атмосферы, подобной Земной", - пишут авторы. Исследователи утверждают, что HWO выиграет от использования УФ-спектрографа в диапазоне 100-300 нм.

Наши методы обнаружения экзопланет ориентированы на планеты, которые вращаются близко к своим звездам. Во многих случаях эти планеты находятся так близко, что уровень радиации на них в тысячи раз выше, чем на Земле. Это мощное излучение может привести к испарению атмосферы в космос, что сделает их непригодными для жизни.

Это приводит к фундаментальному вопросу о пригодности экзопланет для жизни: "Насколько эффективно планеты могут сохранять свою атмосферу и, следовательно, быть пригодными для жизни?" - задаются вопросом авторы.

"В отличие от планет Солнечной системы, на которых интенсивное испарение больше не наблюдается, экзопланеты представляют собой нашу лучшую возможность увидеть явление, происходящее сейчас", - пишут они. Исследователи говорят, что необходимо провести исследование экзопланет, испытывающих выход из атмосферы, что позволит создать точную модель этого процесса.

Исследование будет преследовать две основные цели. Первая - "Определить, имеют ли [транзитные] скалистые планеты в пригодных для жизни зонах экзосферы, подобные современной Земле".

Экзосфера - это самый внешний слой атмосферы планеты, где плотность частиц очень мала. Она настолько мала, что столкновения частиц маловероятны, но при этом достаточно плотная, чтобы ее можно было обнаружить по нескольким спектральным линиям. Экзосфера Земли состоит в основном из нейтральных атомов водорода (H), кислорода (O) и азота (N), но экзосфера Земли необычна по сравнению с другими каменистыми планетами Солнечной системы.

"Таким образом, обнаружение такой же большой и богатой водородом экзосферы вокруг транзитной экзопланеты может предоставить убедительные доказательства того, похожа ли эта планета на современную Землю", - объясняют исследователи. Атмосфера Земли также простирается далеко в космос, что повышает ее обнаруживаемость.

Выход из атмосферы постоянно пополняет экзосферу Земли водородом. Он образуется в результате фотодиссоциации молекул воды в нижних слоях атмосферы, и эти молекулы поступают из поверхностных вод, поэтому обнаружение экзопланеты с богатой водородом экзосферой может указывать на наличие океана и потенциальную пригодность для жизни.

Вторая руководящая цель - "Определить, насколько эффективно гидродинамический выброс разрушает первичные оболочки, в которых преобладает H2".

Выход из атмосферы играет важную роль в том, как мы понимаем формирование планет и демографию экзопланет. Если ученые, изучающие экзопланеты, смогут определить потерю массы современными планетами, они смогут восстановить их первоначальные свойства, такие как массы их первичных атмосфер, которые образовались из первичной солнечной туманности.

"Однако, несмотря на то, что они являются ключевыми для атмосферных свойств планет, включая потенциальную обитаемость, зависимость потери массы атмосферы планеты от звездных (т.е. от ультрафиолетового излучения и ветра) и планетарных (т.е. от массы, радиуса, расстояния между орбитами) свойств далека от понимания", - пишут авторы объясни.

Что необходимо, так это исследование, которое ограничит скорость выхода атмосферы в широком диапазоне масс и возраста экзопланет. УЛЬТРАФИОЛЕТОВАЯ транзитная спектроскопия - это основной способ, с помощью которого астрономы измеряют скорость выхода атмосферы на планетах с коротким периодом.

"Благодаря прогнозируемой эффективной площади в ультрафиолетовом диапазоне, HWO обладает уникальными возможностями для расширения наших возможностей по наблюдению фотоиспаривания в широком диапазоне масс экзопланет", - пишут исследователи.

Чтобы более четко понять выход экзопланет из атмосферы, пара исследователей предлагает два отдельных подхода, которые наилучшим образом используют возможности HWO. Один из них - это исследование в "глубоком поле", аналогичное тем, которые проводятся другими космическими телескопами, такими как "Хаббл" и JWST, но сфокусированное на известных экзопланетах. Объектами исследования будут транзитные скалистые экзопланеты, находящиеся в пределах обитаемых зон своих звезд.

Другой - это более широкий обзор, охватывающий широкий спектр экзопланет. Он будет охватывать по меньшей мере 50 транзитных экзопланет в пределах диапазона, включая все, от горячих Юпитеров до холодных Нептунов. Исследователи уже смоделировали некоторые из этих результатов, и это выглядит многообещающе.

Готовясь к возможному использованию HWO для изучения атмосферных выбросов, исследователи заранее определили, что нуждается в улучшении. Они объясняют, что нам необходимо лучше понять источники непрозрачности в ультрафиолетовом диапазоне длин волн в атмосферах экзопланет. Например, испаряющиеся металлы обладают сильными линиями поглощения ультрафиолетового излучения, а такие молекулы, как метан, могут способствовать непрозрачности от ультрафиолетового излучения. Облака также могут вносить свой вклад.

Концепция HWO существует уже некоторое время. Она основана на большом ультрафиолетовом/оптическом/инфракрасном космическом телескопе LUVOIR и обсерватории обитаемых экзопланет (HabEx). Хотя риски, связанные с финансированием, технологическими достижениями и даже планированием, могут привести к задержке запуска телескопа, реальный риск заключается в политической воле. Если судить по недавним действиям, нынешнее политическое руководство США глухо к науке и не заинтересовано в поддержании лидирующего в мире научного сообщества.

Так что, как и многое другое в мире прямо сейчас, будущее HWO остается неопределенным.

Источник