Астрономы впервые увидели воду в атмосфере планеты, похожей на Землю. До нее всего 110 световых лет

Две независимые группы астрономов из США, Канады и Великобритании получили первые прямые доказательства существования воды в атмосфере экзопланеты земного типа. Эта экзопланета K2-18b в 110 световых годах от Земли была открыта телескопом «Кеплер» в 2015 году, однако о составе ее атмосферы на тот момент не было известно. До сих пор наличие воды на далеких планетах было либо выводом из сложного моделирования, либо относилось к совсем не похожим на Землю небесным телам — газовым гигантам.

Экзопланеты — то есть планеты за пределами Солнечной системы — можно обнаружить с помощью трех основных методов наблюдения: транзитного, спектроскопического и метода микролинзирования. Однако все три техники плохо приспособлены для изучения маленьких и относительно далеких от своей звезды планет вроде Земли.

Например, транзитный метод, с помощью которого в 2015 году была открыта K2-18b (да и вообще большая часть известных на сегодня экзопланет), предполагает наблюдение за тем, как темное тело проходит по диску звезды, в результате чего ее блеск временно снижается. Помимо того, что наблюдателю должно повезти оказаться под нужным углом к орбите планеты (иначе транзит просто не удастся увидеть), ему еще и нужно очень тщательно проанализировать падение яркости. Ведь чем экзопланета меньше, тем меньшую тень она дает и тем труднее наблюдателю отделить вызванное ею снижение блеска звезды от случайного шума.

Избавиться от шума можно, только если наблюдать подобные транзиты многократно, но и здесь с самыми интересными типами планет возникают трудности: за имеющееся в распоряжении астрономов время можно увидеть достаточное количество транзитов только тогда, когда тело находится на очень небольшой орбите, а значит, поглощает много энергии — нагревается так сильно, что не способно сохранить в своей атмосфере воду.

До сих пор все данные о наличии воды в составе атмосферы землеподобных экзопланет (а также немного больших ее по массе — суперземель) основывались на моделировании. Зная по астрономическим каталогам тип и светимость звезды, для каждой звездной системы можно обозначить условную зону обитаемости — диапазон орбит, в котором на поверхности потенциальной экзопланеты возможно существование воды в жидкой форме. Если дополнить эту информацию данными о глубине и частоте падения блеска при транзите, можно вычислить орбиту, массу, диаметр и примерную плотность тела, что даст представление о соотношении на экзопланете газа и твердого вещества. В результате если объект по всем имеющимся данным относится к небольшим каменным телам в зоне обитаемости, то можно обоснованно говорить об обнаружении экзопланеты с возможным наличием на поверхности жидкой воды. Ведь сама по себе вода редким веществом не является, сложнее найти сочетание условий, в которых она может сохраниться на планете.

Подобное моделирование до сих пор было единственным способом что-то сказать об атмосфере далеких планет, хотя теоретически существует и гораздо более прямой и информативный способ их изучения — это анализ спектра света звезды при транзите.

Когда свет звезды проходит по диску экзопланеты и проникает в атмосферу, он частично поглощается содержащимися в ней веществами и меняет свои характеристики. Пары воды, например, хорошо поглощают свет в инфракрасной области, на длине волны около полутора микрометров, и обнаружение ямки поглощения во время транзита по сравнению с обычным светом звезды стало бы четким и однозначным доказательством наличия на этой экзопланете воды.

Сложность в том, что для маленьких экзопланет типа Земли даже сам факт падения яркости при транзите сегодня приходится искать на пределе чувствительности приборов. Поэтому обнаружить в транзитном свете еще и микроскопическое изменение спектра в результате прохождения тонкой «корочки» атмосферы до недавнего времени считалось невозможным.

Ранее в этом году состав атмосферы экзопланеты земного типа удалось впервые изучить астрономам из Университета Монреаля. Правда, тогда в ней не нашлось ничего интереснее водорода и гелия — самых распространенных элементов во Вселенной. В новой работе две независимые группы астрономов, работая с подобными данными, показали, что, имея современные методы анализа в атмосфере экзопланет, можно находить что-то гораздо более многообещающее.

Исследователи взяли за основу наблюдения звезды K2-18 в созвездии Льва, в системе которой на сегодня обнаружены две экзопланеты: K2-18b и K2-18c. Основная часть наблюдательных данных была собрана широкоугольной камерой WFC3 на орбитальном телескопе «Хаббл», эти данные дополнили наблюдениями на инфракрасном телескопе «Спитцер».

Помог и тот факт, что K2-18 довольно тусклая и небольшая звезда, поэтому, во-первых, исследуемая планета занимает значительную площадь на диске звезды (что улучшает отношение сигнала к шуму), а во-вторых, несмотря на то что экзопланета находится в зоне обитаемости, она имеет очень короткий годовой период обращения вокруг звезды, который составляет всего 33 дня. Всего за три года работы ученым удалось записать восемь отдельных транзитов, анализ которых и позволил найти спектроскопические «следы» воды.

В итоге, изучив полученный спектр, обе группы однозначно пришли к выводу о том, что в атмосфере K2-18b действительно присутствуют пары воды — вероятность случайного получения такого же результата не превышает тысячных долей процента.

Само по себе это не говорит о том, что K2-18b является «двойником Земли» или что условия на ней достаточны для поддержания жизни. Все-таки красные карлики, к которым относится K2-18, известны своим неспокойным характером и мощными вспышками звездного ветра. Результат скорее иллюстрирует то, что при должном умении даже из данных таких старых телескопов, как «Хаббл», можно выделить информацию о составе атмосферы планет, которые расположены в сотнях световых лет от нас. И когда в этом году до орбиты наконец доберется несравненно более «мощный» телескоп «Джеймс Уэбб», то не только список объектов для изучения, но и методы их анализа будут совершенно другими, чем планировалось изначально.