Образец этой работы наложен на известные транзитные планеты. Шестиугольники обозначают планеты в нашей выборке, которые также наблюдаются JWST в течение цикла 2, тогда как треугольники еще не запланированы и не одобрены для наблюдений JWST. Выбранные цели были помечены. Фото: The Astrophysical Journal Letters (2024). DOI: 10.3847/2041-8213/ad1b5c
Изучение «экзопланет» — научно-фантастического названия всех планет в космосе за пределами нашей Солнечной системы — довольно новая область. В основном исследователи экзопланет, такие как сотрудники ExoLab в Университете Канзаса, используют данные космических телескопов, таких как космический телескоп Хаббла и космический телескоп Уэбба. Всякий раз, когда заголовки новостей сообщают о существовании «землеподобных» планет или планет, потенциально способных поддержать человечество, они говорят об экзопланетах внутри нашего Млечного Пути.
Джонатан Бранде, докторант ExoLab в Университете Канзаса, только что опубликовал в The Astrophysical Journal Letters результаты, показывающие новые детали атмосферы в наборе из 15 экзопланет, похожих на Нептун. Хотя ни одна из них не могла бы поддержать человечество, лучшее понимание их поведения могло бы помочь нам понять, почему у нас нет маленького Нептуна, в то время как в большинстве солнечных систем, похоже, есть планеты этого класса.
«В течение последних нескольких лет в Калифорнийском университете я сосредоточился на изучении атмосфер экзопланет с помощью метода, известного как трансмиссионная спектроскопия», — сказал Бранде. «Когда планета проходит транзитом, то есть она движется между нашим лучом зрения и звездой, вокруг которой она вращается, свет звезды проходит через атмосферу планеты, поглощаясь различными присутствующими газами. Захватывая спектр звезды, пропуская свет через инструмент, называемый спектрографом, подобен прохождению его через призму — мы наблюдаем радугу, измеряя яркость различных составляющих цветов. Различные области яркости или тусклости в спектре показывают газы, поглощающие свет в атмосфере планеты».
Используя эту методологию, несколько лет назад Бранде опубликовал статью о «теплой экзопланете Нептун» TOI-674 b, где представил наблюдения, указывающие на присутствие водяного пара в ее атмосфере. Эти наблюдения были частью более широкой программы, возглавляемой советником Бранде, Яном Кроссфилдом, доцентом кафедры физики и астрономии Калифорнийского университета, по наблюдению атмосфер экзопланет размером с Нептун.
«Мы хотим понять поведение этих планет, учитывая, что те, которые немного больше Земли и меньше Нептуна, являются наиболее распространенными в галактике», — сказал Бранде.
В этой недавней статье обобщаются наблюдения этой программы, включая данные дополнительных наблюдений, чтобы выяснить, почему некоторые планеты кажутся облачными, а другие ясными.
«Цель состоит в том, чтобы изучить физические объяснения различного внешнего вида этих планет», — сказал Бранде.
Бранде и его соавторы особо отметили регионы, где экзопланеты склонны образовывать облака или дымку высоко в атмосфере. По словам исследователя KU, когда такие атмосферные аэрозоли присутствуют, дымка может блокировать фильтрацию света через атмосферу.
«Если над поверхностью планеты есть облако, а над ней сотни километров чистого воздуха, звездный свет может легко проходить сквозь чистый воздух и поглощаться только определенными газами в этой части атмосферы», — сказал Бранде. «Однако, если облако расположено очень высоко, облака, как правило, непрозрачны во всем электромагнитном спектре. Хотя дымка имеет спектральные особенности, в нашей работе, где мы фокусируемся на относительно узком диапазоне с помощью Хаббла, они также дают в основном плоские спектры».
По словам Бранде, когда эти аэрозоли присутствуют высоко в атмосфере, для света не существует четкого пути для фильтрации.
«Что касается Хаббла, то единственный газ, к которому мы наиболее чувствительны, — это водяной пар», — сказал он. «Если мы наблюдаем водяной пар в атмосфере планеты, это хороший признак того, что нет облаков, достаточно высоких, чтобы блокировать его поглощение. И наоборот, если водяной пар не наблюдается и виден только плоский спектр, несмотря на знание того, что планета должна иметь протяженная атмосфера предполагает вероятное присутствие облаков или дымки на больших высотах».
Бранде руководил работой над этой статьей международной группы астрономов, в которую входили Кроссфилд из Калифорнийского университета и сотрудники Института Макса Планка в Гейдельберге, Германия, группа под руководством Лоры Крейдберг и исследователи из Техасского университета в Остине под руководством Кэролайн. Морли.
Бранде и его соавторы подошли к своему анализу иначе, чем предыдущие попытки, сосредоточив внимание на определении физических параметров атмосфер малого Нептуна. Напротив, предыдущие анализы часто включали подгонку одного модельного спектра к наблюдениям.
«Обычно исследователи берут модель атмосферы с заранее рассчитанным содержанием воды, масштабируют и сдвигают ее, чтобы она соответствовала наблюдаемым планетам в их выборке», — сказал Бранде. «Этот подход показывает, является ли спектр ясным или облачным, но не дает никакой информации о количестве водяного пара или расположении облаков в атмосфере».
Вместо этого Бранде применил метод, известный как «извлечение атмосферы».
«Это включало моделирование атмосферы по различным параметрам планеты, таким как количество водяного пара и расположение облаков, повторение сотен и тысяч симуляций, чтобы найти наиболее подходящую конфигурацию», — сказал он.
«Наши исследования дали нам наиболее подходящий модельный спектр для каждой планеты, на основе которого мы рассчитали, насколько облачной или ясной была планета. Затем мы сравнили эти измеренные ясности с отдельным набором моделей Кэролайн Морли, что позволило нам увидеть При изучении поведения облаков и дымки наши модели показали, что облака подходят лучше, чем дымка.
«Параметр эффективности седиментации, отражающий компактность облаков, предполагает, что наблюдаемые планеты имеют относительно низкую эффективность седиментации, что приводит к образованию пушистых облаков. Эти облака, состоящие из частиц, подобных каплям воды, остаются поднятыми в атмосфере из-за их низкой склонности к осаждению».
Результаты Бранде дают представление о поведении этих планетарных атмосфер и вызвали «существенный интерес», когда он представил их на недавнем собрании Американского астрономического общества.
Другие выводы
Более того, Бранде участвует в международной программе наблюдений, возглавляемой Кроссфилдом, которая только что объявила об обнаружении водяного пара на GJ 9827d — планете, такой же горячей, как Венера, в 97 световых годах от Земли в созвездии Рыб.
Наблюдения, сделанные с помощью космического телескопа «Хаббл», показывают, что эта планета может быть лишь одним из примеров богатых водой планет Млечного Пути. О них объявила группа под руководством Пьера-Алексиса Роя из Института исследований экзопланет Тротье при Университете Монреаля.
«Мы искали водяной пар в атмосферах планет субнептунового типа», — сказал Бранде. «Работа Пьера-Алексиса является последней в этой основной работе, поскольку для обнаружения водяного пара потребовалось примерно 10 или 11 витков или транзитов планеты. Спектр Пьера-Алексиса попал в нашу статью как одна из наших точек данных о тенденциях. Мы были в тесном контакте с ними в процессе написания обеих статей, чтобы убедиться, что мы используем правильные обновленные результаты и точно отражаем их выводы. «
Информация от: Университетом Канзаса
