Изучая экзопланеты с «бурной» молодостью

Космический телескоп «Джеймс Уэбб» (орбитальная инфракрасная лаборатория), который уже успел прославиться своими завораживающими снимками космоса, снова это сделал: он впервые зафиксировал чёткие свидетельства присутствия диоксида углерода в атмосфере планеты, находящейся за пределами Солнечной системы.

Это открытие может не только многое рассказать о том, как сформировалась экзопланета, но и служит предвестником того, что ждёт нас впереди, ведь «Уэбб» уже занимается изучением всё новых и новых миров.

Подробности открытия были изложены в статье Шэннона Холла, размещённой на сервере aiXiv, а затем опубликованной в британском научном журнале «Нэйче».

Это открытие представлено в виде графического изображения данных. Оно начисто лишено завораживающего блеска снимков с телескопа «Джеймс Уэбб», которые появлялись в сети ранее и на которых изображены галактики, исполняющие космические па в окружении излучающих свет облаков в областях звёздообразования. Но Джесси Кристиансен, астроном из Института изучения экзопланет НАСА при Калифорнийском технологическом университете в Пасадене, назвала эти графические изображения «роскошными».

Графические изображения, представляющие собой спектроскопические данные, дают нам подробную информацию о составе атмосферы экзопланеты WASP-39b. Некоторые учёные называют её «горячим Юпитером», потому что у неё такой же диаметр, как у Юпитера, только вращается она гораздо ближе к своей звезде, чем Меркурий к Солнцу, в результате чего разогревается до чрезвычайно высоких температур. Эта экзопланета, расположенная на расстоянии около 700 световых лет от Земли, была впервые обнаружена в ходе наблюдений с Земли, а позже её зафиксировал космический телескоп НАСА «Спитцер», который работал с 2003 по 2020 год. Данные, полученные со «Спитцера», указывали на то, что в атмосфере WASP-39b может присутствовать углекислый газ, однако они не были точными.

А потом в игру вступил «Джеймс Уэбб». 10 июля нынешнего года этот инфракрасный телескоп вёл наблюдение за экзопланетой WASP-39b, двигавшейся по диску своей звезды в течение немногим более восьми часов. Всё это время свет звезды проходил через атмосферу планеты, в которой различные молекулы поглощают конкретные части цветового спектра. Астрономам было интересно: увидят ли они след углекислого газа в спектре. «И мы его увидели — он появился прямо на экране компьютера», — сказала соавтор исследования Натали Баталья, астроном из Калифорнийского университета в Санта-Круз, возглавляющая команду Transiting Exoplanet Early Release Science в рамках проекта «Джеймс Уэбб».

Баталья была не одна. Когда Кристиансен, которая не входит в состав этой команды, увидела данные, у неё перехватило дыхание. «Я подумала: вот оно! — рассказала она. — Мы видели намёки на присутствие углекислого газа и раньше, однако в первый раз данные оказались неоспоримыми». Это открытие укрепило уверенность в том, что «Джеймс Уэбб» произведёт настоящую революцию в изучении экзопланет. Только за первый год своей работы телескоп должен будет исследовать 76 экзопланет, а за всё время его путешествия таких небесных тел наберётся несколько сотен. Он станет наблюдать за происходящим сквозь атмосферы газовых гигантов и крошечных каменистых планет, которые могут оказаться похожими на Землю. «Моей первой мыслью, когда я увидела этот сигнал, было: «ух-ты, а ведь это работает», — сказала Баталья.

Однако обнаружение углекислого газа само по себе является весьма впечатляющим открытием. «С научной точки зрения, это невероятно волнительно», — сказал Джонатан Фортни, директор Лаборатории изучения иных миров при Калифорнийском университете в Санта-Круз и соавтор опубликованной работы. Кажется логичным предположить, что планета, похожая на Юпитер, которая сформировалась из того же самого скопления материи, что и её звезда, будет иметь приблизительно тот же химический состав, что и сама звезда. Но в нашей Солнечной системе всё иначе. И в случае с WASP-39b тоже всё иначе. Сильный сигнал о наличии углекислого газа в атмосфере этой экзопланеты свидетельствует о том, что в ней присутствуют более тяжёлые элементы, чем водород и гелий, из которых обычно состоят звёзды. Вопрос — почему?

«Именно здесь история становится ещё интереснее», — объясняет Баталья. Возможно, когда WASP-39b была молодой планетой, в неё часто врезались кометы и астероиды, которые могли доставить туда более тяжёлые элементы, такие как углерод и кислород. Что интересно, по всей видимости, на планете WASP-39b примерно столько же тяжёлых элементов, как и на Сатурне, на долю которого, как полагают учёные, тоже выпала «бурная» молодость.

Или же планета WASP-39b могла сформироваться из элементов, которые были рассеяны в пространстве внутри её планетной системы, а затем мигрировали к центру. В какой-то момент она приблизилась к своей звезде-хозяину, которая вытеснила часть водорода из атмосферы, в результате чего концентрация более тяжёлых элементов в ней увеличилась, а углекислого газа стало больше, чем было изначально. Фортни, Баталья и их коллеги сейчас работают над четырьмя научными статьями, в которых они подробнее проанализируют спектр экзопланеты и различные гипотезы.

«Это похоже на работу археологов, — объяснила Баталья. — Мы пытаемся выстроить большую картину, используя в качестве основы молекулы веществ».

Обнаружение двуокиси углерода в атмосфере экзопланеты — это важный шаг на пути обнаружения жизни за пределами Земли. Астрономы не ждут, что планета WASP-39b окажется пригодной для того, чтобы там была жизнь, — она находится слишком близко к своей звезде. Они даже не ждут, что телескоп «Джеймс Уэбб» обнаружит чёткие признаки жизни на других планетах. Однако использование «Уэбба» для поиска углекислого газа может помочь заложить основы для будущих открытий.

Астрономы считают, что смесь углекислого газа и метана в атмосфере планеты может служить индикатором жизни — это называется биосигнатурой. По словам Кристиансен, сигнал с планеты WASP-39b — «это уже полпути к хорошей биосигнатуре». Команда Батальи выстроила модель, согласно которой в атмосфере этой планеты также содержится вода, окись углерода и сульфит водорода, но при этом очень мало метана.

В конечном счёте для обнаружения жизни может потребоваться гораздо более совершенная обсерватория, чем «Джеймс Уэбб». Но, по словам Батальи, «это по-настоящему важный этап, который необходимо пройти, чтобы подготовиться к появлению таких технологий в будущем».