Среди более чем 5000 открытых учёными экзопланет нашлось настоящее чудо — планета-гигант с плотностью сахарной ваты. Есть только одна экзопланета с ещё меньшей плотностью, и обе они не вписываются ни в какие модели эволюции планет. Это тот случай, когда наука получает шанс продвинуться вперёд, и возможно совсем скоро, в чём поможет космическая обсерватория им. Джеймса Уэбба.

Художественное представление планеты-одуванчика. Источник изображения: NASA, ESA, CSA, J. Olmsted/STScI

Как сообщила сегодня в журнале Nature Astronomy международная команда учёных, на расстоянии 1232 световых года от Земли открыта одна из самых странных на сегодня экзопланет — WASP-193b. Вселенная полна чудесами, и обнаружить экзопланету с плотностью 0,059 г/см³ — это самое редкое из них. Для сравнения, плотность Земли равна 5,51 г/см³. Плотность Юпитера, с которым экзопланету WASP-193b роднят размеры, составляет 1,33 г/см³. Плотность сахарной ваты, добавим, равна 0,05 г/см³.

Учёные затрудняются вообразить, из какого вещества может стоять экзопланета с подобной плотностью. Она вращается вокруг подобной Солнцу звезды WASP-193. Эта звезда примерно в 1,1 раза больше массы Солнца, а её радиус больше радиуса Солнца в 1,2 раза. Температуры у них похожие, возраст — тоже. Единственное что выделяет эту далёкую систему — экзопланета-одуванчик совершает один оборот вокруг своей звезды за 6,25 дня. В нашей системе таких планет нет.

«Её чрезвычайно низкая плотность делает её настоящей аномалией среди более чем пяти тысяч экзопланет, открытых на сегодняшний день. Эта чрезвычайно низкая плотность не может быть воспроизведена стандартными моделями облучённых газовых гигантов, даже при нереалистичном предположении о структуре без сердцевины», — сетуют учёные. Изучая транзит планеты по диску звезды, исследователи вычислили, что радиус WASP-193b примерно в 1,46 раза больше радиуса Юпитера. Но её масса невероятно мала: всего 0,139 от массы Юпитера.

Изучение второй такой экзопланеты — Kepler-51d, которая намного меньше WASP-193b, дало некоторую подсказку, почему обнаруженный газовый гигант очень лёгкий. По всей видимости, близкая звезда настолько сильно разогревает экзопланету, что её атмосфера распухла до чрезвычайных объёмов. В то же время планета не может находиться в таком состоянии бесконечно долго — максимум несколько миллионов лет. Однако возраст звезды составляет 6 млрд лет и она давно не молодая и не горячая, чтобы сотворить что-то подобное с атмосферой близкой экзопланеты. Одно дело, если бы события происходили на заре рождения звёздной системы. Но спустя 6 млрд лет такое невозможно. По крайней мере, с точки зрения наших знаний.

Учёные намерены разгадать загадку экзопланеты WASP-193b с помощью космической обсерватории им. Джеймса Уэбба. Она создавалась, в том числе, для анализа атмосфер экзопланет. Изучение атмосферы WASP-193b будет продолжено с использованием «Уэбба». Но это будет уже другая история.

Обитаемость инопланетных миров — это один из фундаментальных вопросов, на который пока нет ответа. Обнаружено свыше 5000 экзопланет, о которых наука знает исчезающе мало. Например, до сих пор не было надёжного доказательства существования атмосфер у скалистых миров, похожих на Землю. Если экзопланеты газовые гиганты без стеснения показывали свою раздутую атмосферу, то со скалистыми мирами всё было очень и очень неоднозначно.

Художественное представление экзопланеты 55 Cancri e. Источник изображениq: NASA

Возможности космической обсерватории им. Джеймса Уэбба открыли доступ к сбору данных по атмосферам экзопланет. Это довольно узкий канал для получения бесценной информации, но он есть и учёные им активно пользуются. Если экзопланета достаточно горяча или проходит по лику своей звезды, «Уэбб» фиксирует спектры излучения и поглощения в области наблюдений и помогает сделать вывод о наличии атмосферной оболочки и её приблизительном составе.

В 2004 году на удалении 41 световой год от Земли в двойной системе 55 Рака у солнцеподобной звезды 55 Рака A учёные обнаружили горячую суперземлю 55 Cancri e (55 Рака e). Экзопланета была примерно в два раза больше Земли и немного плотнее её. С тех пор 55 Рака e была под пристальным наблюдением множества научных коллективов, но обнаружить наличие атмосферы у экзопланеты не удавалось никакими способами.

Следует сказать, что планета 55 Рака e слишком горяча для возникновения там жизни. Она вращается у своей звезды примерно на четверть расстояния от Солнца до Меркурия. Её поверхность, судя по всему — это бурлящий океан магмы. Для учёных это возможность заглянуть в прошлое Земли, Венеры или Марса, когда планеты из нашей системы тоже были раскалёнными шариками. Это возможность понять процессы образования атмосфер на скалистых планетах и их взаимодействия с планетарным веществом.

Наблюдения за экзопланетой 55 Рака e позволили обнаружить признаки плотной и тонкой атмосферной оболочки. По словам исследователей — это лучшее доказательство наличия атмосфер у скалистых экзопланет за всю историю наблюдений подобных объектов. Данные получены благодаря высокой чувствительности «Уэбба» в ближнем и среднем инфракрасном диапазоне.

Крошечные колебания света в диапазоне от 4 до 12 мкм позволили обнаружить поглощения спектральных линий, сигнализирующие о наличии в атмосфере 55 Рака e монооксида и диоксида углерода, которые, очевидно, выделяются и поддерживаются (что наиболее важно в данном исследовании) глобальным магматическим океаном. Иначе говоря, скалистый мир самостоятельно создаёт и поддерживает атмосферную оболочку. Первичную атмосферу давно ободрало бы излучение близкой звезды.

Также «Уэбб» определил, что дневная сторона экзопланеты холоднее, чем предсказывает моделирование. Измерения показали, что температура поверхности на дневной стороне составляет 1540 °C. Если бы на планете не было атмосферы, она разогревалась бы до 2000 °C или около того. К охлаждению может привести либо перемещение лавовых потоков, либо атмосферных масс с дневной на ночную сторону (планета, суда по всему, находится в приливном захвате и всё время обращена к своей звезде одной стороной). Лаву можно исключить — явно не та динамика. Тем самым получено ещё одно косвенное доказательство наличия атмосферы у 55 Рака e.

«В конечном счете, мы хотим понять, какие условия позволяют скалистой планете поддерживать богатую газом атмосферу: ключевой компонент пригодной для жизни планеты», — говорят исследователи.

Некоторое время назад в журнале The Astrophysical Journal вышла статья, в которой приводятся обоснования методики поиска пригодных для жизни землеподобных экзопланет. Разработчики проекта LIFE (Large Interferometer For Exoplanets) на примере спектральных сигнатур Земли в ближнем инфракрасном диапазоне доказали, что они смогли бы определить пригодность нашей планеты к жизни с расстояния в 30 световых лет.

Источник изображения: ETH Zurich / LIFE initiative

Космическая обсерватория Large Interferometer For Exoplanets или, по-русски, большой интерферометр для экзопланет разрабатывается учёными под руководством специалистов из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich). Это должна быть четвёрка примерно 3-метровых инфракрасных телескопов, разнесённых друг от друга на расстояние до 600 м, что эквивалентно одному зеркалу диаметром до 600 м. Телескоп LIFE будет базироваться в точке Лагранжа L2 — там же, где сейчас работает «Джеймс Уэбб». Проект должен быть реализован в начале 30-х годов.

Свежей работой учёные из Цюриха доказали, что лежащая в основе интерферометра LIFE методика будет надёжно работать. По крайней мере, с её помощью они смогли обнаружить пригодные для зарождения жизни условия на Земле. Это была не имитация, а проверка на самом высоком уровне — на реальных спектрах. Данные об инфракрасных спектрах Земли учёные получали с космического зонда NASA Aqua и затем анализировали с использованием соответствующих фильтров.

Учёные понимали, что с расстояния в десятки, а то и сотни световых лет экзопланеты будут выглядеть для инструментов человечества как точки или, в лучшем случае, как размытые пятна. Поэтому опираться надо будет на усреднённые показатели. «Наша цель — обнаружить химические соединения в спектре света, которые указывают на жизнь на экзопланетах», — пояснила Саша Куанц (Sascha P. Quanz), руководитель LIFE initiative.

Исследователи специально ограничили экспериментальные данные, чтобы они напоминали спектры экзопланет, полученные из глубин Вселенной. Также были проанализированы спектры, полученные с разных сторон Земли — с полюсов и экватора. Ведь мы вряд ли узнаем об ориентации экзопланеты, поэтому важно было понять, как отличаются спектры с разных точек обзора. К счастью, отличий не оказалось. Если экзопланета будет пригодна для жизни земного типа (а другой мы не знаем), то без разницы каким боком она будет обращена в нашу сторону.

Зато сезонные изменения, как выяснилось, повлияли на показания достаточно неопределённым образом. Наблюдения в январе и июне не дали чётких различий, и судить по полученным данным о климате и атмосфере было затруднительно.

Ключевой вывод исследования обнадёживает: если бы подобный LIFE космический телескоп наблюдал за планетой Земля с расстояния около 30 световых лет, то он обнаружил бы признаки обитаемого мира с умеренным климатом. Команда смогла определить концентрацию в атмосфере CO₂, воды, озона и метана в инфракрасных спектрах атмосферы Земли, а также такие условия на поверхности, которые способствовали появлению воды. Признаки наличия озона и метана особенно важны, поскольку эти газы производятся биосферой Земли.

Необычно красочное оптическое явление в облаках Земли — глория или ореол — впервые могло быть замечено в атмосфере далёкого инопланетного мира. Пока это только вероятность, но она достаточно большая, чтобы явление продолжили изучать. Если данные подтвердятся, открытие позволит больше узнавать об атмосферах экзопланет и даже об океанах на их поверхности — это бесценная возможность изучать миры, куда человечество попадёт очень и очень нескоро.

Художественное представление глории в атмосфере ультрагорячего юпитера. Источник изображения: ESA

Признаки глории учёные из Института астрофизики и космических наук в Португалии обнаружили в архивных данных обсерваторий CHEOPS, TESS, «Хаббл» и «Спитцер» по экзопланете WASP-76b. Это ультрагорячий юпитер, который неоднократно становился объектом интереса астрономов. Эта планета вращается вокруг звезды класса F7 с массой 1,4 массы Солнца и возрастом 2,4 млрд лет. Период обращения составляет всего 1,8 дня. Это означает, что планета буквально купается в мощном энергетическом излучении звезды.

На солнечной стороне WASP-76b температура достигает 2400 °C (она всегда обращена одной стороной к своему солнцу). Подобный нагрев испаряет металлы с поверхности и превращает их в пар. Это трудно вообразить, но дожди на WASP-76b — это капли расплавленных металлов, в частности — железа, как показали спектральные измерения. Признаки глории, судя по всему, это результат преломления света от местной звезды на облаках из почти одинаковых капель расплавленного железа в верхних слоях экзопланеты.

Пример глории на облаках Земли, когда объект находится между Солнцем и облачным фоном. Источник изображения: Википедия

Данные о вероятном и характерном оптическом явлении были получены свыше двух десятков раз. Оно наблюдалось в момент захода экзопланеты за свою звезду (система удалена от нас на 640 световых лет) — это так называемое вторичное затмение. В оптике планета вдруг становилась ярче, тогда как в инфракрасном свете интенсивность не изменялась. Нельзя исключать, что в атмосфере WASP-76b могут происходить иные процессы, которые сопровождаются набором наблюдаемых данных. Поэтому учёные продолжат наблюдать за WASP-76b, ведь это шанс разобраться с тем, как мы можем интерпретировать атмосферные и даже поверхностные явления на других мирах.

Примерно в 50 световых годах от Земли находится система LHS 1140, в которой ранее были обнаружены две суперземли. Одна из них обещает оказаться планетой-океаном, потенциально пригодным для жизни. В этом помог разобраться космический инфракрасный телескоп им. Джеймса Уэбба, приборы которого проанализировали состав атмосферы экзопланеты LHS 1140b.

Инопланетный мир у красного карлика в представлении художника. Источник изображения: ESO

Прибор NIRSpec «Джеймса Уэбба» изучил атмосферу экзопланеты LHS 1140b в июле 2023 года во время двух событий транзита экзопланеты по своей звезде. Ранее предполагалось, что это каменистый мир массой свыше 6 земных. Новые наблюдения позволили снизить оценку массы и размера экзопланеты до 5,6 массы Земли и радиуса 1,73 от земного. Инсоляция планеты предполагается на уровне 0,42 от земной, а усреднённая температура у поверхности может составлять 226 К.

Добавим, планета LHS 1140b вращается вокруг красного карлика массой 0,18 солнечных масс. Она расположена достаточно близко к звезде, но слабое излучение центрального светила не перегревает её поверхность, а это важно, ведь для планеты с глобальным океаном повышенная инсоляция это автоматическое создание парникового эффекта и смерть всему живому. Вы только посмотрите, что сотворил парниковый эффект на Венере!

Одним словом, если на LHS 1140b есть глобальный океан, то температура воды на его поверхности выше точки замерзания, что означает потенциальную его пригодность для зарождения биологической жизни. Впрочем, судя по размерам и оценкам плотности экзопланеты, вместо 10 % воды на её поверхности может присутствовать плотная газовая атмосфера. Спектральный анализ атмосферы и моделирование показали, что вероятность плотной атмосферы у LHS 1140b ниже, чем вероятность наличия огромного объёма воды на её поверхности. Поэтому это хороший кандидат на роль планеты-океана. И вдвойне ценно, что подобных миров обнаружено не так много, как хотелось бы учёным. Ещё один лишним не будет.

С помощью зонда «Галилео» (Galileo), астрономы обнаружили на Земле признаки континентов и океанов, а также наличие кислорода в её атмосфере. Это «открытие» играет ключевую роль в разработке методов анализа и интерпретации данных об экзопланетах и открывает новые возможности для поиска и изучения потенциально пригодных для жизни миров.

Источник изображений: Ryder H. Strauss / arXiv, The Astronomical Journal

В докладе, опубликованном на arXiv.org, группа астрономов под руководством Райдера Штрауса (Ryder H. Strauss) из Университета Северной Аризоны (NAU), представила результаты анализа данных, собранных космическим аппаратом «Галилео» в ходе его гравитационных манёвров около Земли в 1990 и 1992 годах. Астрономы использовали спектрофотометрические наблюдения, сделанные твёрдотельным датчиком изображения ограниченного действия (Limited Solid State Imager, SSI), с применением набора узкополосных фильтров (фиолетовый, зелёный, красный и четыре ближних инфракрасных), чтобы исследовать отражённый свет Земли.

Анализ показал, что изменчивость кривых блеска всего диска Земли может быть объяснена меняющейся погодой, наличием континентов, океанов и облаков на вращающейся планете. Кроме того, временная динамика цвета диска приписывается океанам (сдвиг в синюю сторону) и суше с растительностью (сдвиг в красную сторону).

Измерение интенсивности света Земли через красные и фиолетовые фильтры, а также в инфракрасном диапазоне IR-6560 и фиолетовом при облёте Земли зондом «Галилео» в 1990 году

Снижение отражательной способности при наблюдениях в некоторых инфракрасных фильтрах связано со слабым поглощением излучения водяным паром и сильным поглощением молекулярным кислородом. Эти результаты подчёркивают важность молекулярного кислорода в атмосфере Земли как ключевого индикатора её обитаемости.

Полученные данные будут использоваться для дальнейшей проверки и совершенствования трёхмерной спектральной модели Земли, разрабатываемой Виртуальной планетарной лабораторией (VPL) NASA. Такой подход позволит значительно улучшить методики наблюдений за экзопланетами, в том числе потенциально обитаемыми, и расширить наше понимание возможности существования жизни за пределами родной планеты.

Исследование подтверждает, что наблюдения за полными дисками планет Солнечной системы могут служить важным аналогом для анализа экзопланет. Особое значение в этом контексте имеет Земля как единственный известный обитаемый мир, что делает её ключевым объектом для изучения в рамках поиска потенциально обитаемых экзопланет.

Космическая обсерватория им. Джеймса Уэбба сделала два редких наблюдения — напрямую увидела две экзопланеты в системах с белыми карликами. Это экзотика в квадрате — получить свет от планет вне Солнечной системы и ещё переживших смерть своей звезды.

Художественное представление экзопланеты-гиганта в системе с белым карликом. Источник изображения: Robert Lea

Статья об открытии ещё не прошла рецензирование и находится на сайте arXiv. Экзопланеты-кандидаты были обнаружены прибором «Уэбба» MIRI в среднем инфракрасном диапазоне, когда в поле зрения телескопа попали белые карлики WD 1202-232 и WD 2105-82. Одна из потенциальных экзопланет располагается на расстоянии от звезды примерно в 11,5 раз дальше, чем Земля отстоит от Солнца. Второй кандидат находится ещё дальше от своей звезды — на удалении в 34,5 раза дальше, чем расстояние между нашей планетой и Солнцем.

Массы обеих экзопланет пока неизвестны. Для их определения необходимы новые наблюдения. По грубым оценкам, каждая из экзопланет может быть от 1 до 7 раз тяжелее Юпитера — самой большой планеты Солнечной системы. Пока масса этих объектов не будет определена, они будут считаться кандидатами в экзопланеты. Их предыдущие орбиты, по-видимому, были намного ближе к звёздам. Вероятно, примерно на том месте, где сейчас находятся орбиты Сатурна и Юпитера. Когда звёзды в этих системах умирали и превращались в красных гигантов, их разросшиеся оболочки выжигали и выталкивали всё до орбиты Марса, и это могло также привести к изменению орбит экзопланет-гигантов.

Глядя на системы WD 1202-232 и WD 2105-82 мы фактически наблюдаем слепок с Солнечной системы примерно через 5 млрд лет, когда Солнце пройдёт стадию красного гиганта и сбросит внешнюю оболочку, оставив в центре системы остывающее ядро — белый карлик.

Источник изображения: Mulaney, et al, 2024

Кстати, от 25 % до 50 % наблюдаемых белых карликов демонстрируют повышенное содержание металлов по классификации астрономии — химических веществ тяжелее водорода и гелия. На примере наблюдаемых систем с выжившими планетами-гигантами можно предположить, что они сбрасывают на ядра звёзд астероиды и кометы, являясь источниками загрязнения остатков звёзд металлами. Тем самым планеты-гиганты могут считаться распространёнными телами в звёздных системах.

Ещё одно интересное наблюдение кандидатов в экзопланеты заключалось в том, что они были намного горячее в определённом диапазоне инфракрасного спектра, чем можно было бы ожидать. Это позволяет надеяться, что дополнительное тепло может поступать, например, от их спутников. Тем самым у нас появляется шанс впервые открыть экзолуну. Одним словом, обнаружены очень перспективные для наблюдений объекты и «Уэбб» ещё наверняка уделит им внимание.

Как ни странно, наличие кислорода и воды в сигнатурах атмосфер экзопланет недостаточно для вероятного обнаружения там технологически высокоразвитых цивилизаций, что убедительно обосновала группа европейских астрофизиков. Учёные показали, что существует узкий диапазон в концентрации кислорода в атмосфере, который может надёжно указать на степень вероятного технологического развития цивилизации.

Источник изображения: University of Rochester illustration / Michael Osadciw

Для возникновения биологической жизни на далёких мирах, включая многоклеточную и даже обладающую сознанием, высокой концентрации кислорода в их атмосферах не нужно. Более того, даже отсутствие кислорода не будет препятствием для появления жизни. Но для развития технологической цивилизации кислород имеет первостепенное значение. Точнее — имеет значение уровень его концентрации в атмосфере.

Кислород работает как окислитель в процессе сжигания топлива на открытом воздухе. Очевидно, его там должно быть достаточно для запуска и поддержания реакций с окислением (с огнём) и не слишком много, чтобы всё вокруг вдруг не загорелось. Учёные назвали необходимую для развития технологических цивилизаций концентрацию кислорода «кислородным бутылочным горлышком». Содержание кислорода в атмосфере экзопланеты можно определить с достаточной точностью, что позволит затем вынести техногенную оценку изучаемому миру.

Исследователи заглянули вглубь земной цивилизации и утверждают, что технологии на нашей планете начали бурно развиваться при достижении концентрации кислорода в атмосфере 18 % и выше. Это также необходимо будет учитывать при анализе атмосфер экзопланет. И пусть на далёких мирах в изобилии будет кислород и вода, но если там низкий или слишком высокий уровень кислорода, то искать там разумную и технологически развитую жизнь просто не нужно. Это сэкономит ресурсы для поиска по-настоящему технологически развитой цивилизации, с которой мы потенциально сможем установить контакт. Кислород и его концентрация — вот главный маркер, следуя за которым нужно искать инопланетные цивилизации. Всё остальное вторично.

«Следовательно, нам нужно быть чрезвычайно осторожными в интерпретации возможных обнаружений. Наше исследование предполагает, что нам следует скептически относиться к потенциальным техносигнатурам планеты с недостаточным содержанием кислорода в атмосфере», — резюмируют учёные в статье в журнале Nature Astronomy.

Группа учёных из США подтвердила, что всего в 22 световых годах от нас находится экзопланета, сильно напоминающая нашу Землю. Это самая близкая из экзопланет земного типа за всю историю наблюдений, что даёт возможность изучить разнообразие похожих на нашу Землю планет.

Источник изображения: NASA, ESA, L. Hustak/STScI

Планету LTT 1445 Ac открыл телескоп TESS в 2021 году. Она открыта методом транзита, как объект проходящий перед своей звездой и снижающий её яркость. Но на тот момент наблюдение за экзопланетой было затруднено, поскольку она вращалась вокруг карликовой звезды в тройной системе. Она как будто вышла из мира «Задачи трёх тел» Лю Цысиня. Две другие звезды в системе влияли на лучевую скорость и яркость третьей, вокруг которой вращалась заветная планета.

Для более точного определения параметров транзита исследователи подключили к наблюдению за LTT 1445 Ac космический телескоп «Хаббл». С его помощью удалось с высочайшей точностью определить характеристики события, а именно орбитальный период экзопланеты, как она проходит по диску звезды и её воздействие на лучевую скорость звезды-хозяина. Зная эту информацию учёные легко вычислили радиус и массу экзопланеты. Экзопланета LTT 1445 Ac оказалась примерно в 1,37 раз тяжелее Земли, а её радиус был всего в 1,07 раза больше радиуса нашей планеты.

Расчётная плотность экзопланеты LTT 1445 Ac оказалась равна 5,9 г/см³. Плотность Земли составляет 5,51 г/см³. Нетрудно понять, что состав и строение экзопланеты очень близки к земным. Что огорчает, известной нам по Земле биологической жизни там нет. Орбитальный период вращения мира LTT 1445 Ac всего 3,12 суток. Даже с учётом того, что родная звезда этой планеты — это тусклый красный карлик намного слабее нашего Солнца, температура на поверхности LTT 1445 Ac достигает 260 °C. Теоретически знакомая нам жизнь может там находиться в сумеречной зоне на границе света и тени, если этот мир не вращается вокруг своей оси. При столь близком расположении к звезде это обычное явление.

Довольно близкое к нам расположение экзопланеты LTT 1445 Ac открывает горизонт возможностей по изучению планет земного размера. Её прохождение по диску звезды, например, позволит определить химический состав атмосферы с помощью анализа поглощения линий в спектре звезды. На такое способен телескоп «Джеймс Уэбб». Для таких исследований в будущем готовятся новые телескопы, которые будут целенаправленно изучать ближайшие к нам миры с величайшей дотошностью.

Космический телескоп «Кеплер» (Kepler) перестал собирать данные в 2018 году, но всё ещё остаётся источником открытий. На сегодня данные «Кеплера» содержат самый большой набор экзопланет и кандидатов в экзопланеты. Учёные NASA заново проанализировали архив данных этого телескопа и представили обновлённый каталог звёзд, систем и экзопланет, среди которых обнаружились ранее неизвестные планеты.

Система Кеплер-385 в представлении художника. Источник изображения: NASA/Daniel Rutter

В частности, открытием нового издания каталога стала звёздная система Kepler-385. Ещё в 2014 году орбитальный телескоп обнаружил в этой системе четыре экзопланеты. Анализ с использованием новых данных по звёздам, прежде всего, с учётом собранных европейским астрометрическим телескопом «Гайя», позволил выявить в системе Kepler-385 ещё три дополнительные экзопланеты.

Телескоп «Кеплер», напомним, определял наличие экзопланет по методу транзита — по изменениям яркости звезды и оценке времени провалов яркости, когда невидимая в обычных условиях планета проходит перед диском родной звезды. Точность таких измерений растёт вместе с ростом точности измерения параметров звёзд.

В системе Kepler-385, которая отдалена от нас на 4670 световых лет, оказалось семь подтвержденных наблюдением планет, что делает её редкостью. Сегодня подобных многопланетных систем открыто очень мало.

Одна из ценностей такого открытия в том, что мы можем напрямую определить эксцентриситет орбит экзопланет. Для одиночной планеты, которая нам напрямую не видна, это сделать практически невозможно. Но для планетной системы с несколькими транзитами (планетами) форма орбит определяется относительно просто. Так, измерение орбит экзопланет системы Kepler-385 показало, что у них у всех почти круговые орбиты. Это подтвердило предыдущие выводы, основанные на моделировании, что чем больше в системе планет, тем менее вытянутые у них орбиты.

Семь планет системы Кеплер-385: две чуть больше Земли, пять чуть меньше Нептуна

С точки зрения поиска внеземной жизни все семь планет системы Kepler-385 вряд ли пригодны для этого в нашем понимании. Все они находятся слишком близко к своей звезде и, очевидно, получают сильнейшую долю излучения в виде тепла, ультрафиолета и радиации.

Новая редакция обновлённого каталога экзопланет, найденных телескопом «Кеплер», представляет собой самое структурированное по данным издание, которое поможет совершить ещё не одно астрономическое открытие не выходя из кабинета. Современные астрономические приборы собирают настолько много данных, что научные сообщества не успевают их обрабатывать даже с привлечением суперкомпьютеров.

В атмосферах далёких миров и даже Земли присутствуют частички силикатов — минералов, в основе которых есть кварц. В чистом виде кристаллы кварца в атмосфере учёным не попадались, пока не был изучен мир экзопланеты WASP-17b на расстоянии 1300 световых лет от Земли. И только наблюдение с помощью инструментов космического телескопа «Джеймс Уэбб» позволило определить, что в облаках WASP-17b рождаются чистейшие кристаллы кварца.

Кварцевая дымка в раскалённой атмосфере на границе света и тьмы в представлении художника. Источник изображения: NASA

Экзопланета WASP-17b — это так называемый горячий экзоюпитер. Её размеры почти в два раза превышают размеры нашего Юпитера, хотя масса оказалась вполовину меньше газового гиганта из Солнечной системы. Тем самым экзопланета WASP-17b стала одной из самых «пухлых» среди обнаруженных учёными экзопланет такого рода. В этом есть большая удача. У экзопланеты достаточно большая атмосфера, чтобы её можно было изучать в мельчайших деталях. Более того, вокруг своей звезды «пухляш» обращается всего за 3,7 суток. Иначе говоря, атмосфера планеты с высокой периодичностью перекрывает свет домашней звезды, что даёт множество данных для оценки её состава.

Поглощение света звезды на определённых длинах волн несёт информацию о химическом составе и размере частиц в её атмосфере. Ранее телескоп «Хаббл» определил, что в атмосфере WASP-17b присутствуют частицы нанометрового размера. Изучение экзопланеты с помощью прибора MIRI «Уэбба» в среднем инфракрасном диапазоне помогло определить размеры этих наночастиц, которые оказались около 10 нм.

«Мы знали из наблюдений Хаббла [космического телескопа], что в атмосфере WASP-17b должны быть аэрозоли — крошечные частицы, составляющие облака или дымку, но мы не ожидали, что они будут состоять из кварца», — сказал в своем заявлении руководитель исследования Дэниел Грант (Daniel Grant) из Бристольского университета (Великобритания).

Блокирование света на длине волны 8,6 мкм говорит о частицах чистого кварца в атмосфере экзопланеты

Секрет появления кристаллов чистого кварца в атмосфере WASP-17b в том, что её атмосфера чрезвычайно разогрета близкой звездой — там около 1500 °C на ночной стороне (экзопланета всегда повернута к нам одной стороной). Высокая температура и давление, в тысячу раз большее, чем на поверхности Земли, заставляет образовываться кристаллы кварца сразу из газовой среды, минуя жидкую фазу. Наблюдения выявляют кварцевую дымку на границе света и тени. Кристаллы вновь испаряются, когда их переносит ветром на солнечную сторону и возникают при атмосферном движении на тёмную сторону экзопланеты.

Научные теории имеют устоявшиеся рамки, пределы которых подтверждают наблюдения. Но без сюрпризов не обходится, поэтому их так любят учёные. И Вселенная подкинула исследователям очередную загадку. У недалёкой от нас звезды обнаружилась планета земного размера, плотность которой почти равна плотности чистого железа. Так быть не должно и это заставляет учёных копать глубже.

Железная планета в представлении художника. Источник изображения: NASA

Экзопланета Gliese 367 b (или Tahay) обнаружена в наблюдениях космической обсерватории TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) в 2021 году. Она вращается со сверхкоротким периодом 7,7 ч вокруг карликовой звезды. Сигнал был очень слабым, что сразу заставило предположить, что экзопланета достаточно мала и относится к субземлям или супермеркуриям. Поскольку экзопланет со сверхкоротким периодом обращения обнаружено всего около 200 из более чем 5000 открытых экзопланет, планета Gliese 367 b сразу же была взята в научную разработку.

Наблюдения по горячим следам в 2021 году с помощью спектрометра High-Accuracy Radial Velocity Planet Searcher (HARPS) Европейской южной обсерватории в Чили позволили определить размеры, массу и плотность экзопланеты, данные о которых удивили учёных. Было установлено, что радиус планеты составляет 72 % от земного, а масса — 55 % от земной. Это означало, что Gliese 367 b, скорее всего, едва ли не полностью состоит из железа, что противоречило известной эволюции планетарных систем.

В 2022 году группа астрономов из Университета Турина провела обширные дополнительные наблюдения за экзопланетой Gliese 367 b с помощью того же спектрометра HARPS и по их результатам опубликовала в журнале The Astrophysical Journal Letters статью, в которой поделилась уточнёнными данными по этой необычной планете. Что забавно, на орбите Gliese 367 учёные открыли ещё две маломассивные экзопланеты: с периодом обращения 11,5 и 34 дня.

Уточнённые измерения показали, что экзопланета Gliese 367 b ещё более плотная, чем считалось ранее. Так, масса планеты составляет не 55 %, а 63 % от массы Земли, а её радиус не 72 % от Земного, а 70 %. Иными словами, она оказалась чуть меньше и чуть тяжелее, чем в случае первого наблюдения. В итоге плотность Gliese 367 b оказалась почти в два раза выше, чем у нашей планеты и она на 91 % состоит из железа.

Полученные данные дают три варианта формирования этого необычного по своим характеристикам небесного тела. Во-первых, что пока никогда не было подтверждено предыдущими наблюдениями, протопланетный диск на ближней к звезде стороне мог быть предельно богат железом, и планета сформировалась сразу такой, какой мы её наблюдаем. Во-вторых, планета могла сформироваться как обычно — с железным ядром и каменной мантией, но в результате столкновения с другой планетой могла полностью лишиться мантии, оставшись на орбите в виде голого железного ядра.

Третий вариант — это постепенное сближение со звездой газовой планеты-гиганта. В процессе тесного контакта со звездой её излучение могло смести атмосферу газового гиганта, оставив на орбите только металлическое ядро.

Все три сценария предполагают допущения с той или иной степенью вероятности, что определённо выходит за рамки теорий эволюции планет. Учёные намерены продолжить наблюдения и поискать во Вселенной что-то похожее на этот случай или обнаружить какое-то промежуточное состояние экзопланет, которое могло бы намекнуть на истинный механизм явления, последствия которого удивили их в системе Gliese 367.

Космический телескоп «Джеймс Уэбб» NASA получил новые данные о планете K2-18 b. Эта экзопланета-океан (гикеан) вращается вокруг красного карлика K2-18 и находится на расстоянии 111 световых лет от Земли в созвездии Льва. Новые данные свидетельствуют о том, что в атмосфере планеты содержится водород. Это вместе с другими признаками может указывать на то, что на ней могут существовать живые организмы.

Источник изображения: NASA / CSA / ESA / J. Olmsted (STScI)

В новом исследовании учёные из Кембриджского университета изучили полученные от «Джеймса Уэбба» данные, чтобы узнать больше о планете K2-18 b, которая в 8,6 раза больше Земли и делает оборот вокруг своей звезды всего за 33 дня. Речь идёт о данных, полученных в ходе наблюдения с помощью прибора формирования изображения в ближнем инфракрасном диапазоне бесщелевого спектрографа NIRISS (Near Infrared Imager and Slitless Spectrograph) и спектрографа ближнего инфракрасного диапазона NIRSpec, которые помогли узнать больше о химическом составе атмосферы K2-18 b.

В ходе исследования было установлено, что атмосфера K2-18 b содержит неожиданно много углекислого газа, метана и диметилсульфида — углеродсодержащих молекул, источником появления которых на Земле являются живые организмы. Также отмечается недостаток аммиака, что может являться признаком наличия у планеты жидкого океана, в водах которого и растворяется аммиак из атмосферы.

«Результаты нашего исследования подчёркивают важность изучения разнообразных сред при поиске жизни в других местах. Традиционно поиск жизни на экзопланетах был сосредоточен на небольших скалистых планетах, но более крупные миры типа гикеан значительно более удобны для наблюдения за атмосферой», — рассказал один из авторов исследования Никку Мадхусудхан (Nikku Madhusudhan).

Исследователи впервые заметили признаки того, что на K2-18 b потенциально может быть жизнь в 2019 году, когда обрабатывали данные, полученные от космической обсерватории «Хаббл». Наличие водяного пара в атмосфере указывает на то, что на поверхности планеты есть жидкая вода — основной необходимый для развития жизни элемент по меркам Земли. Однако считается, что на K2-18 b оказывает значительно более сильное влияние излучение её звезды, которое является враждебным для жизни. В дальнейшем исследователи продолжат наблюдать за планетой K2-18 b с помощью инструментов, имеющихся в арсенале телескопа «Джеймс Уэбб».

Специалисты Европейского космического агентства завершили предварительную экспертизу проекта ARIEL (Atmospheric Remote‐sensing Infrared Exoplanet Large‐survey), который в будущем займётся изучением атмосфер экзопланет. В целом конструкция аппарата и полезной нагрузки космической обсерватории признаны как отвечающие задачам миссии и не имеющие изъянов. На очереди критический обзор дизайна проекта и начало изготовления платформы и приборов.

Источник изображения: ESA/STFC RAL Space/UCL/Europlanet-Science Office

На борту обсерватории ARIEL будут оптический и инфракрасный телескопы, спектрометры и ряд других приборов и сопутствующих систем. Проект был утверждён для разработки в 2018 году, чтобы уже десять лет спустя он мог начать работу. Теперь отправка обсерватории в космос ожидается не раньше 2029 года, если не будет новых переносов. Завершение предварительной экспертизы дизайна ARIEL даёт надежду, что в дальнейшем сроки будут соблюдены.

«Это действительно большой шаг для миссии, и мы очень довольны результатом, — сказала Тереза Люфтингер (Theresa Lueftinger), научный сотрудник проекта ARIEL в ЕКА. — Команда ЕКА, команда по полезной нагрузке консорциума ARIEL и компания Airbus приложили огромное количество труда и усилий для успешного достижения этой важной вехи, и сотрудничество прошло чрезвычайно успешно. Все элементы были собраны вместе и оценены, и теперь мы знаем, что миссия осуществима, и мы можем заниматься наукой».

Космическая обсерватория ARIEL будет изучать составы атмосфер 1000 экзопланет, а также звёзды-хозяйки систем, где находятся эти миры. Изучаться будет не только химический состав атмосфер (преимущественно горячих экзопланет и суперземель), но также структура и динамика облачных покровов как в течение местных суток, так и в течение года. Сбор данных об атмосферах 1000 экзопланет поможет понять эволюцию атмосфер и планет и, в конечном итоге, лучше разобраться в вопросах поведения атмосферы Земли, как и упрочить основу под программами поиска внеземной жизни.

На очереди критический обзор дизайна проекта ARIEL, станции и полезной нагрузки, после которого десятки европейских институтов и NASA начнут изготовление научных приборов для обсерватории и вспомогательного оборудования. Шасси для обсерватории изготовит компания Airbus вместе с партнёрами, а ракету, запуск и обслуживание обеспечит ЕКА.

В системе звезды AU Микроскопа (AU Microscopii) в 32 световых годах от Земли молодая звезда термоядерными вспышками сдувает атмосферу с ближайшей к себе планеты AU Mic b. Первое наблюдение «Хаббла» за экзопланетой полтора года назад не показало ничего необычного, тогда как свежий снимок AU Mic b обнаружил чудовищные водородные шлейфы за планетой и перед ней, что указало на внезапное лишение её значительной части атмосферы.

Экзопланета в системе AU Микроскопа в представлении художника. Источник изображения: NASA, ESA, and Joseph Olmsted (STScI)

Ранее учёные никогда не фиксировали настолько сильных отличий между наблюдениями одного и того же объекта (экзопланеты) с такой небольшой разницей во времени. Экзопланета должна была примерно одинаково «пылить» своей атмосферой тогда и сегодня.

«Мы никогда не видели, чтобы за такой короткий период времени при прохождении планеты перед своей звездой уход атмосферы переходил от совершенно неразличимого к явно обнаруживаемому, — сказала Кили Рокклифф (Keighley Rockcliffe) из Дартмутского колледжа в Ганновере, штат Нью-Гэмпшир. — Мы действительно ожидали чего-то очень предсказуемого, повторяющегося. Но это оказалось странным. Когда я впервые увидела это, я подумала: "Этого не может быть"».

Возраст звезды AU Mic составляет менее 100 млн лет. Это красный карлик, меньше и холоднее Солнца, но молодой возраст звезды сказывается на её характере. Он поистине взрывной! В её недрах происходят частые и активные термоядерные реакции, порождающие вспышки, кратно превосходящие по мощности вспышки на Солнце. Ситуацию усугубляет то, что экзопланета AU Mic b вращается очень близко к звезде — на удалении менее 10 млн км, что в десять раз ближе орбиты Меркурия.

Сочетание близости планеты к своей звезде с активностью самой звезды позволяет учёным наблюдать систему в экстремальном взаимодействии. На основе наблюдений можно изучить граничные условия параметров сохранения планетами атмосферы. В конечном итоге нам интересно и полезно знать, насколько велики шансы у экзопланет сохранить свою атмосферу, чтобы у неё появился шанс зародить биологическую жизнь.

«Это откровенно странное наблюдение является своего рода стресс-тестом для моделирования и физики планетарной эволюции. Это наблюдение очень интересно, потому что мы получаем возможность исследовать взаимодействие между звездой и планетой в самом экстремальном режиме», — сказала астроном.

Экзопланета AU Mic b представляет собой газовый мир размерами с Нептун или в четыре раза больше Земли. Если звезда продолжит сдувать с неё атмосферу с замеченной интенсивностью, то из газового гиганта она может превратиться в скалистое тело мало пригодное для зарождения жизни. Впрочем, её близость к звезде даже с учётом того, что это красный карлик, не оставляет шансов на появление там той жизни, которая нам известна. Но как пример для уточнения моделей эволюции планетарных атмосфер — это очень удачное открытие и оно готово пролить толику света на тайны Вселенной.