Водно-космическая одиссея

Три космических телескопа помогли астрономам найти пары воды и молекулы водорода в атмосфере экзопланеты HAT P-11b, которая относится к классу очень больших «суперземель» или малых «горячих нептунов». Она расположена в созвездии Лебедя. Это открытие, как пишут исследователи в своей статье в журнале Nature, свидетельствует о том, что поиск полноценных «двойников» нашей планеты возможен при помощи уже существующих обсерваторий и инструментов.

За последние пять лет астрономы обнаружили около 1800 планет за пределами Солнечной системы и четыре тысячи объектов, претендующих на эту роль, во многом благодаря работе орбитального телескопа «Кеплер» и его двух наземных конкурентов — спектрографов HARPS и HARPS-N. По оценкам американского Института поиска внеземных цивилизаций SETI, в нашей Галактике существует около триллиона планет, примерно миллиард из которых должен быть похож по своим размерам на Землю.

Сегодня главной задачей всех планетологов мира, как это было обрисовано на масштабной пресс-конференции в НАСА в июле, является поиск полноценных двойников Земли, которые располагаются в так называемой зоне жизни — то есть на таком расстоянии от светила, когда на поверхности планет может существовать жидкая вода. На настоящий момент астрономам удалось найти несколько десятков таких планет в этой зоне, однако пока не совсем ясно, есть ли на них вода в количестве, достаточном для зарождения жизни в привычном для нас виде.

Поэтому последние два года теоретики и практики от науки активно работают над созданием методик, позволяющих напрямую получать снимки близких к нам экзопланет и изучать химический состав их недр, атмосферы и поверхности. К примеру, улучшенные алгоритмы обработки изображений позволили наземному телескопу «Субару» и его космическому коллеге «Хабблу» получить фотографии полдюжины крупных экзопланет, расположенных в 40-50 световых годах от Земли.

В последние 12 месяцев ученые вплотную подошли к разгадке водных тайн потенциальных двойников Земли — так, в октябре прошлого года «Кеплер» и «Спитцер» впервые увидели облака в атмосфере «горячего юпитера» Kepler-7b. В начале года «Хаббл» сделал следующий шаг, получив снимки схожих структур в воздушной оболочке «суперземли» GJ 1214b, расположенной в созвездии Змееносца. И наконец, в феврале астрономам впервые удалось напрямую обнаружить пары воды в атмосфере «горячего юпитера» тау Волопаса.

Казалось, что прямое обнаружение воды на «суперземле» или даже на двойнике Земли должно было быть делом ближайших месяцев или даже недель. Однако ход исследования, как пишут Дрэйк Деминг из университета Мэриленда в Балтиморе и другие соавторы статьи в Nature, резко замедлился — густые слои облаков, покрывающие многие малые экзопланеты, мешают ученым искать следы воды в воздухе и на поверхности далеких планет.

Как объясняют исследователи, сегодня планетологи ищут воду на планетах вне солнечной системы, наблюдая за периодическими изменениями в спектре родных для них светил. Когда кандидат на роль двойника Земли проходит по диску звезды, встает на пути ее лучей, путешествующих к Земле — ее свет «прошивает» атмосферу планеты и сталкивается с молекулами различных газов. Следы этих столкновений можно увидеть в спектре светила, что позволяет оценить химический состав воздуха и понять, присутствует ли на планете вода в виде жидкости или пара.

Схема, иллюстрирующая процесс «просвечивания» атмосферы экзопланеты лучами ее материнской звезды. Иллюстрация: Nature / NPG

Этого не происходит, если поверхность экзопланеты закрыта от нас облаками — они отражают большую часть видимого и инфракрасного излучения, и пока планетологи не нашли способ пробить этот «облачный щит». Его существование обычно не бывает проблемой при изучении больших планет размером с Юпитер или больше. В облачном покрове таких гигантов часто появляются гигантские разрывы, через которые лучи светила проникают в их атмосферу и собирают информацию о ее составе.

Дэминг и его коллеги проверили, могут ли в принципе существовать подобные «дыры» в облаках менее крупных планет, в чем начали сомневаться многие планетологи после серии неудачных попыток найти воду на их поверхности. Для этого они собрали данные, полученные при наблюдении за разными небольшими экзопланетами, начиная с почти полных двойников Земли и заканчивая небольшими газовыми гигантами, и попытались найти следы атмосферы планет в спектре излучения звезд.

С пятой попытки эта затея увенчалась успехом — планета HAT P-11b, открытая в 2009 году венгерской сетью наземных телескопов HAT, оказалась практически лишена облачного покрова. Это небесное тело, расположенное в 124 световых годах от Земли, находится на границе между небольшими газовыми гигантами, так называемыми «горячими нептунами», и крупными «суперземлями». Ее поперечник в 4,3 раза больше, чем диаметр нашей планеты, и она тяжелее Земли в 25 раз. На ней вряд ли может существовать жизнь, так как ее поверхность раскалена до 600°C.

Ободренные неожиданно быстрым успехом, авторы статьи попытались определить химический состав атмосферы HAT P-11b, наблюдая за ней при помощи сразу трех орбитальных телескопов — «Хаббла», «Спитцера» и «Кеплера» — в разные временные периоды на протяжении последних двух лет.

Снимки и спектроскопические данные, полученные при помощи камеры WFC3 на борту «Хаббла» во время прохождения планеты по диску светила, показали, что в верхних слоях атмосферы HAT P-11b присутствует большое количество паров воды и водорода. Кроме того, ученым удалось найти в воздухе этой планеты углекислоту и метан. Как отмечают исследователи, точные доли всех этих веществ пока невозможно вычислить из-за большого количества пятен на поверхности звезды HAT P-11 и других форм солнечной активности, которые мешают спектроскопическим наблюдениям.

«Вода крайне широко распространена по Вселенной. В любой точке, где есть водород и кислород, ее молекулы неизбежно формируются. Водяные пары можно встретить даже в некоторых достаточно холодных пятнах на поверхности звезд. Конечно же, жизнь в таких точках звезд не может существовать, так как температуры там слишком высоки для ее зарождения», — рассказывает Дэминг.

Главным следствием этого открытия, как подчеркивает сам ученый, стало то, что ему и его научной группе удалось доказать, что современные астрономические инструменты можно использовать для поиска воды на небольших экзопланетах. Это означает, что следующее поколение космических телескопов, в том числе «Джеймс Уэбб», наследник «Хаббла», и TESS, новый охотник за планетами, смогут решить задачу найти полного двойника Земли.

Другой интересный вывод, по мнению Дэминга, заключается в том, что средняя масса молекул в воздухе HAT P-11b примерно в два раза ниже этого показателя для атмосферы Земли. Это говорит о том, что данный «горячий нептун» сформировался на дальних окраинах звездной системы, где было много водорода и других легких элементов и почти отсутствовали кислород и прочие тяжелые вещества. Сегодня планетологи считают, что аналогичным образом рождались планеты Солнечной системы — каменистые Марс, Земля, Венера возникли в ближней части протопланетного диска, где было много «тяжелых» элементов, а Юпитер, Сатурн, Нептун и Уран — на его бедной периферии.

«Наши идеи о том, как формируются планеты, были разработаны с оглядкой на Солнечную систему, и мы не знаем, вели ли себя аналогичным образом другие семьи планет. Сейчас нам бы хотелось найти ответ на фундаментальный вопрос — все ли небольшие планеты богаты тяжелыми веществами, такими как кислород в водяном паре. Обнаружение водяного пара на HAT P-11b дало нам ключевую деталь в этом астрономическом паззле, который говорит о совпадении наших идей с реальностью», — заключает Дэминг.