Опробован новый метод исследования атмосфер экзопланет

Александр Березин

Тау Волопаса b наконец-то стала видна в телескоп. И безо всякой транзитной фотометрии!

Весьма остроумная методика впервые позволила астрономам детально изучить атмосферу экзопланеты, хоть она и не затмевала диска своей звезды во время транзита (который, напомним, оптимален для наблюдений только в том случае, если планета расположена очень близко к светилу).

Международная группа исследователей с помощью «Очень большого телескопа» (VLT) Европейской Южной обсерватории (ESO) непосредственно зарегистрировала слабое свечение Тау Волопаса b. Учёные исследовали атмосферу планеты и впервые точно измерили её орбиту и массу, решив таким образом задачу, которая не давалась в течение 15 лет. К удивлению астрономов, оказалось, что атмосфера планеты, по-видимому, становится холоднее с увеличением высоты, хотя ожидалось обратное.

Результаты работы будут опубликованы в выпуске журнала Nature от 28 июня, а здесь с ними можно ознакомиться уже сейчас.

Внешние слои этого «горячего Юпитера» оказались неожиданно холодны и содержали значительные следы моноксида углерода. (Иллюстрация ESO.)

Тау Волопаса b, гигантский «горячий Юпитер», была открыта в 1996 году; до сих пор она остаётся одной из самых близких к своему солнцу известных планет, вращаясь всего в 7,5 млн км от него. Хотя её родительская звезда легко видна невооружённым глазом, этого, разумеется, не скажешь о самой планете. До сих пор о её существовании можно было судить только по гравитационному воздействию на местное солнце.

Как и большинство экзопланет, она не проходит по диску своей звезды (как недавно Венера красовалась на Солнце). До самого последнего времени такие транзиты значили очень много, поскольку позволяли познавать атмосферы экзопланет методом фотометрии (когда небесное тело проходит по звёздному диску, а свойства его атмосферы налагают отпечаток на регистрируемый свет звезды). Поскольку через атмосферу Тау Волопаса b наблюдать звёздное излучение «на просвет» было нельзя, она не могла быть исследована имевшимися способами. И вот теперь, после пятнадцатилетних попыток зарегистрировать слабое свечение, испускаемое «горячими Юпитерами», астрономы наконец-то добились успеха, получив надёжные прямые данные о структуре атмосферы Тау Волопаса b. Впервые из этой информации выведена точная масса планеты.

В работе использовался «Криогенный инфракрасный эшелле-спектрометр» (CRyogenic InfraRed Echelle Spectrometer, CRIRES), смонтированный на «Очень большом телескопе» в Паранальской обсерватории (Чили). Астрономы сочетали высококачественные инфракрасные наблюдения (на длине волны около 2,3 мкм) с остроумной методикой, которая позволила выделить слабый сигнал от планеты на фоне гораздо более интенсивного излучения материнской звезды. Способ основан на использовании скорости орбитального движения планеты вокруг светила для выделения излучения планеты на фоне звезды и для исключения влияния земной атмосферы на полученные данные. Та же группа учёных ранее протестировала этот метод на транзитной (проходящей по диску звезды) планете, измерив её орбитальную скорость в момент пересечения ею звёздного диска.

Маттео Броги из Лейденской обсерватории (Нидерланды), ведущий автор работы, объясняет: «Благодаря высокому качеству наблюдений, обеспеченному VLT и приёмником CRIRES, нам удалось исследовать спектр системы гораздо более детально, чем это было возможно ранее. Лишь около 0,01% света, который мы регистрируем, приходит от планеты, а остальное — от звезды, так что это было непросто».

Большинство планет было открыто по гравитационному воздействию, оказываемому на материнские звезды. Метод даёт ограниченную информацию о массе планеты, позволяя установить лишь её нижний предел. Новая техника куда более результативна. Прямая регистрация излучения планеты позволила измерить угол наклона планетной орбиты и таким образом найти точное значение её массы. Регистрируя изменения направления движения планеты в процессе её орбитального вращения, учёные впервые надёжно установили, что Тау Волопаса b имеет угол наклона оси вращения, равный 44˚ (у Земли — 23,5˚) и что её масса в шесть раз больше массы Юпитера. Ранее по гравитационному влиянию планеты мы знали лишь нижний предел в четыре Юпитера.

Наряду с регистрацией свечения атмосферы и измерением массы Тау Волопаса b группа проанализировала состав атмосферы и определила количество содержащейся в ней окиси углерода, а также температуру на различных высотах, сравнивая наблюдательные данные с теоретическими моделями. Неожиданным оказалось уменьшение температуры атмосферы с высотой. Это конфликтует с температурной инверсией (ростом температуры с высотой), наблюдаемой у других «горячих Юпитеров». А вот ещё одна странность: находясь на столь малом удалении от звезды, Тау Волопаса b должна получать от неё колоссальную энергию, в первую очередь нагревающую верхние слои атмосферы и лишь в меньшей степени — нижние. На деле этого нет.

Наблюдения VLT свидетельствуют, что спектроскопия высокого разрешения, выполняемая с наземными телескопами, — мощный инструмент детального анализа экзопланетных атмосфер, которые не проходят по дискам своих звёзд. В будущем это позволит узнать больше об условиях в атмосферах планет и на их поверхности. Проводя такие измерения в разных точках планетной орбиты, учёные, хотелось бы верить, смогут также проследить за изменениями в атмосфере в разное время планетных суток.

Вернуться назад