JWST обладает огромной мощью. Одна из причин его запуска — исследование атмосфер экзопланет для определения их химического состава, что под силу только мощному телескопу. Но даже JWST нужно время, чтобы эффективно использовать эту мощь, особенно когда речь идет об одной из самых важных целей науки об экзопланетах: скалистых мирах, вращающихся вокруг красных карликов.
Красные карлики — самый распространенный тип звезд Млечного Пути. Наблюдения показывают, что красные карлики содержат в своих обитаемых зонах множество каменистых планет. Остаются без ответа вопросы об обитаемых зонах красных карликов и о том, действительно ли каменистые планеты в этих зонах пригодны для жизни из-за хорошо задокументированных вспышек красных карликов. Астрономы хотят изучить атмосферы этих планет и искать биосигнатуры и другую атмосферную информацию.
Новое исследование предполагает, что способному JWST потребуются сотни часов наблюдения, чтобы обнаружить эти атмосферы с большей степенью достоверности. Новое исследование называется «Есть ли атмосфера на каменистых планетах умеренного пояса вокруг М-карликов?» Единственный автор — Рене Дойон с физического факультета Монреальского университета, Канада. Статья еще не прошла рецензирование.
Дойон отмечает, что хотя одной из главных целей JWST является исследование атмосфер экзопланет, оно сделано только для небольшого количества планет: Trappist-1d, e, f, g, LHS1140b и мини-Нептуна K2-18b.
Эти результаты показали, что JWST способен исследовать атмосферу экзопланет. Но эти усилия также показали, что звездная активность является препятствием на пути к еще большему успеху. JWST исследует атмосферу экзопланеты, наблюдая за тем, как планета проходит мимо своей звезды. Телескоп анализирует свет звезды, проходящий через атмосферу экзопланеты, в поисках световых признаков различных молекул.
Один из самых больших вопросов в науке об экзопланетах касается каменистых планет в обитаемых зонах красных карликов. Есть ли у них атмосфера? Без атмосферы и жидкой воды они могут находиться далеко за пределами обитаемых зон. К счастью, М-карлики имеют меньшую массу и радиус, что делает их и их планеты лучшими объектами для спектрометрии. «Это известно как «возможность М-карлика», — пишет Дойон в своем исследовании.
Но с каждой возможностью связано препятствие, и когда дело доходит до М-карликов, препятствие становится ярче. М-карлики известны своими мощными вспышками, а в некоторых случаях вспышки достаточно мощные, чтобы сделать близлежащие планеты непригодными для жизни. Вспышки испускают мощное рентгеновское и ультрафиолетовое излучение, которое может разрушить их атмосферу. За миллиарды лет они могут настолько деградировать, что у них не останется шансов стать пригодными для жизни.
Вспышка красного карлика создает еще одну проблему. Вся эта звездная активность может затруднить JWST спектроскопическое изучение атмосфер экзопланет.
JWST — наш лучший инструмент для изучения атмосфер экзопланет. Но это не будет длиться вечно. Он должен прослужить до десяти лет, и уже около 18 месяцев выполняет свою миссию. Когда дело доходит до изучения экзопланет, что является лишь одной из его задач, как лучше всего потратить время?
По мнению автора, очень важно, чтобы мы использовали экзопланетное время JWST не только для изучения атмосферы, но и для подготовки к будущим флагманским миссиям и наземным обсерваториям, которые смогут продолжить работу с того места, где заканчивается JWST.
«Мы утверждаем, что, учитывая ограниченный срок службы JWST, комплексная программа как затменной, так и трансмиссионной спектроскопии ключевого образца планет умеренного пояса является важным шагом вперед», — пишет Дойон.
Дойон говорит, что JWST следует отдать приоритет тому, что он называет образцом Golden-J лучших экзопланет умеренного пояса. Эта группа планет достаточно прохладна, чтобы избежать безудержного парникового эффекта. Им также необходимо иметь точные измерения радиуса и массы, что приводит к точному пониманию их плотности.
«Эти критерии ограничивают выбор лишь несколькими каменистыми планетами: Trappist-1d, e, f, g и LHS1140b», — пишет Дойон. «Мы делаем исключение и включаем умеренный мини-Нептун K2-18b в качестве потенциально обитаемого мира, несмотря на неопределенность его массы в 18%». Это образец Golden-J.
JWST уже исследовал эти экзопланеты, как и другие телескопы, включая Хаббл. Но результаты содержат некоторую неопределенность. Дойон описывает первые взгляды JWST на экзопланеты образца Golden-J как разведывательные и считает, что для того, чтобы устранить большую часть этой неопределенности, JWST следует более тщательно изучить эти планеты в оставшееся время.
Экзопланета LHS-1140 b занимает видное место в работах Дойона. «LHS1140b, пожалуй, лучшая планета с умеренным климатом, о состоянии жидкой поверхности которой можно судить косвенно, путем обнаружения CO2 в ее атмосфере», — объясняет он. Но JWST может наблюдать только 4 транзита планеты и 4 ее затмения за один год. JWST может потребоваться 12 посещений в течение трех лет, чтобы собрать достаточно убедительные доказательства в пользу жидкой поверхностной воды.
Дойон называет эту попытку более тщательного наблюдения за LHS-1140 b и другими экзопланетами в образце Golden-J «разведкой глубокой обитаемости».
«Возможно, самый важный вопрос, на который JWST должен и может ответить в рамках научной темы «Планетные системы и происхождение жизни», — это заголовок этой статьи: есть ли у каменистых планет умеренного пояса вокруг М-карликов атмосфера?» пишет Дойон.
Для этого потребуется время, и Дойон подсчитал, сколько времени потребуется для наблюдений JWST. «Эта комплексная разведка потребует минимум 700 часов, включая примерно 225 часов, посвященных фотометрии затмения», — объясняет он.
«Однако этих 715-часовых усилий может оказаться недостаточно при любых обстоятельствах. Введение более высокого порога обнаружения потребует еще больше времени. «Введение более высокого порога обнаружения (4-5?) для этой программы разведки – как было опубликовано для наблюдений MIRI за Траппистом-1b и c – могло бы
значительно увеличить общее время наблюдений, потенциально варьирующееся от 1300 до 2000 часов», — объясняет Дойон.
Это может занять даже больше времени, особенно если есть какие-то особенно привлекательные результаты, требующие дополнительных наблюдений.
Может показаться, что это неплохой кусок времени, который можно потратить на небольшую горстку экзопланет. Но JWST был создан для поиска ответов, и если это занимает так много времени, значит, оно потрачено не зря.
«Начать такую обширную программу обитаемости при первой же возможности имеет первостепенное значение», — пишет Дойон.
