Новый метод исследования далеких планет может сделать поиски внеземной жизни значительно более интенсивными, чем ожидали ученые.

Атмосферы каменистых экзопланет представляют большой интерес для астрономов, поскольку в них могут обнаруживаться следы присутствия жизненных форм. В настоящее время ученые почти не имеют возможности подробно рассматривать атмосферы далеких планет, однако эта ситуация может измениться в 2030-е гг., когда будут построены космические обсерватории нового поколения.

Однако уже в настоящее время по крайней мере две группы ученых разрабатывают метод, который позволит проводить исследования атмосфер каменистых планет, таких как недавно обнаруженная планета Проксима b, при помощи наземных обсерваторий нового поколения, которые будут достроены уже в 2020-е гг.

Ранее в этом месяце на семинаре, проводимом Национальной академией наук США, Маттео Броги (Matteo Brogi) из Колорадского университета, США, вместе с командой коллег представил новый метод, позволяющий изучать атмосферу планеты Проксима b при помощи комбинации методов спектроскопии высокого разрешения, анализа допплеровского смещения света, идущего от планеты, а также её прямого наблюдения. Анализ допплеровского смещения света, идущего от движущейся вокруг звезды планеты, позволяет отделить свет, идущий от планеты, от света, испускаемого звездой, что имеет большое значение в методе спектроскопии высокого разрешения.

Современные телескопы не обладают достаточной мощью для осуществления прямых наблюдений планет, предлагаемых в этом методе, однако строящиеся наземные обсерватории, такие как Гигантский Магелланов телескоп, который планируется ввести в эксплуатацию в 2021 г., и Европейский экстремально большой телескоп, который начнет сбор научных данных примерно в 2024 г., должны справиться с этой задачей, считают Броги и его команда.

Кроме группы Броги разработкой схожего комплексного метода занимается коллектив исследователей под руководством Димитрия Мавета (Dimitri Mawet) из Калифорнийского технологического института, однако этот коллектив делает упор на применение техники высокодисперсионной коронографии (high dispersion coronagraphy, HDC).

Европейская команда астрономов под руководством Оскара Баррагана (Oscar Barragán) из Туринского университета, Италия, сообщает об открытии внесолнечной планеты класса теплых юпитеров, имеющей относительно небольшую массу и движущейся по орбите вокруг близлежащей звезды главной последовательности спектрального класса К. Эта вновь обнаруженная экзопланета, получившая обозначение EPIC 218916923b, является наименее массивным из теплых юпитеров, известных на сегодняшний день.

Эта новая планета была впервые обнаружена при помощи космического телескопа НАСА «Кеплер» (Kepler) в рамках его расширенной миссии, известной как К2. В ходе кампании №7 миссии К2, продолжавшейся между 4 октября и 26 декабря 2015 г., был получен транзитный сигнал, связанный со звездой EPIC 218916923. Эта звезда представляет собой активную звезду спектрального класса K0 V, расположенную на расстоянии примерно 500 световых лет от нас. В дальнейшем планетная природа объекта была подтверждена при помощи нескольких различных наземных телескопов.

Астрономы смогли выяснить основные параметры обнаруженной планеты. Так, согласно исследованию, радиус планеты EPIC 218916923b составляет примерно 0,81 массы Юпитера, однако при этом масса планеты эквивалентна всего лишь 38 процентам массы крупнейшей планеты Солнечной системы. Исследователи также оценили, что планета обращается вокруг родительской звезды с периодом примерно 29 суток и имеет плотность, примерно на 12 процентов меньшую, по сравнению с плотностью Юпитера. Согласно исследователям планета имеет плотное ядро массой примерно в 48 масс Земли, окруженное газовой оболочкой.

Исходя из полученных значений параметров планеты EPIC 218916923b, команда Баррагана классифицировала её как теплый юпитер, класс гигантских газовых планет, промежуточный между так называемыми горячими юпитерами, имеющими орбитальный период менее 10 суток, и близкими аналогами Юпитера, характеризующимися орбитальными периодами свыше 100 суток. Всего по состоянию на сегодняшний день астрономам известно порядка 80 теплых юпитеров.

Астрономы идентифицировали еще один редкий пример экстремальной гелиевой звезды. Эта звезда, получившая обозначение GALEX J184559.8−413827 (или J1845−4138 для краткости), была изначально отнесена к категории тусклых богатых гелием «горячих субкарликов», однако новые спектроскопические наблюдения обнаружили, что эта звезда содержит еще меньше водорода, чем предполагалось.

Экстремальные гелиевые звезды (extreme helium stars, EHes)представляют собой сверхгиганты, которые по размерам и температуре поверхности значительно превосходят наше Солнце, однако являются существенно менее массивными. В составе их вещества почти не содержится водорода, что само по себе довольно необычно, поскольку водород является наиболее распространенным химическим элементом во Вселенной. Звезды типа EHes характеризуются относительно резкими и интенсивными линиями нейтрального водорода, что указывает на низкую гравитацию у поверхности и атмосферу, богатую гелием. Кроме гелия эти звезды содержат значительные количества углерода, азота и кислорода. Первая звезда типа EHe была обнаружена в 1942 г.

Звезда GALEX J184559.8−413827 была открыта в 2011 г. при помощи спутника НАСА Galaxy Evolution Explorer (GALEX). Учитывая, что эта звезда была классифицирована как богатый гелием «горячий субкарлик», она была внесена в список химически пекулярных (необычных) объектов и рекомендована для дальнейших наблюдений при помощи спектрографа высокого разрешения телескопа Southern Africa Large Telescope (SALT), расположенного близ г. Сатерленд, Южная Африка.

Теперь Саймон Джеффри (Simon Jeffery) из Арманской обсерватории, Северная Ирландия, представляет результаты новых наблюдений звезды GALEX J184559.8−413827, проведенных при помощи спектрографа телескопа SALT в марте 2017 г. Эти наблюдения показывают, что спектр звезды J1845−4138 идентичен (см. фото) спектру известной пульсирующей гелиевой звезды типа EHe под названием V652 Her, следовательно, наблюдаемая звезда относится к такому же типу, вопросом остается лишь то, является ли эта звезда пульсирующей, как V652 Her.

Стоит отметить, что J1845−4138 стала первой звездой типа EHe, обнаруженной за последние 40 лет. Это подчеркивает экстремальную редкость таких звезд.

Астрономы открыли планету редкого типа, теплый, массивный газовый гигант, который движется по орбите вокруг звезды, вращающейся экстремально быстро. Это открытие ставит перед учеными ряд вопросов о происхождении планеты – поскольку ни относительно небольшая масса планеты, ни большое расстояние до родительской звезды не ожидались, исходя из современных моделей. Эти наблюдения были проведены при помощи инструмента SPHERE, установленного на Очень большом телескопе Европейской южной обсерватории.

Планета HIP 65426b была открыта группой астрономов из Института астрономии общества Макса Планка при помощи метода прямого наблюдения с использованием инструмента SPHERE. Родительская звезда вновь открытой планетной системы, HIP 65426, является частью «звездных яслей»: ассоциации Скорпиона-Центавра, которая содержит от 3000 до 5000 звезд, сформировавшихся примерно в одно и то же время на расстоянии примерно 400 световых лет от Земли. Используя стандартные методы определения возраста звезд, исследователи выяснили, что возраст звезды HIP 65426 составляет всего лишь 14 миллионов лет.

Первая необычная особенность системы HIP 65426 состоит в том, что вокруг звезды отсутствует пылевой диск, который обычно окружает молодые звезды. Вторым необычным свойством системы является то, что планета HIP 65426b имеет массу всего лишь от 6 до 12 масс Юпитера, в то время как для звезды такого спектрального класса (A2V), к какому относят звезду HIP 65426, масса планеты в планетной системе должна существенно превышать 12 юпитерианских масс. При этом наблюдения также показывают, что в действительности планета находится на слишком большом удалении от звезды – на расстоянии порядка 100 астрономических единиц от нее – что тоже слабо соответствует классическим моделям. Наконец третьей загадочной особенностью системы этой звезды является то, что сама звезда вращается с аномально высокой скоростью, однако при этом не является даже частью двойной звездной системы. Так что же могло так «раскрутить» эту звезду?

Как отмечают авторы, они пока не знают точного ответа на этот и другие вопросы, связанные с системой HIP 65426, однако согласно одной из рабочих гипотез планета HIP 65426b могла сначала сформироваться близко к звезде (это объясняет ее сравнительно небольшую массу) вместе с другим массивным объектом. Затем планета сблизилась с этим массивным объектом и была выброшена на периферию системы, заняв свое текущее положение. Массивный объект после этого гравитационного взаимодействия с планетой продолжил движение и врезался в звезду, сообщив ей дополнительный вращательный момент. Диск системы был дестабилизирован другими пролетающими через систему планетами.

Астрономы открыли, что хорошо изученная внесолнечная планета WASP-12b почти не отражает свет, то есть выглядит угольно черной. Это открытие проливает новый свет на состав атмосферы этой планеты и позволяет опровергнуть ряд выдвинутых прежде гипотез о ее составе.

При помощи инструмента Space Telescope Imaging Spectrograph (STIS) космического телескопа НАСА/ЕКА Hubble («Хаббл») международная команда астрономов под руководством Тейлора Дж. Белла (Taylor J. Bell) из Университета Макгилл, Канада, измерила количество света, отраженного планетой WASP-12b – то есть альбедо планеты – для того чтобы выяснить подробности об атмосфере этой планеты.

Результаты оказались удивительными, рассказал Белл: «Измеренное значение альбедо для планеты WASP-12b оказалось равным не более чем 0,064. Такое экстремально низкое значение альбедо говорит о том, что эта планета чернее свежего асфальта!»

Планета WASP-12b обращается вокруг солнцеподобной звезды WASP-12A, находящейся на расстоянии около 1400 световых лет от нас. Радиус планеты составляет примерно два радиуса Юпитера, а год на этой планете длится всего лишь одни земные сутки, что позволяет отнести ее к классу горячих юпитеров. Из-за близкого соседства с родительской звездой гравитационное притяжение растянуло планету WASP-12b, придав ей форму яйца, а температура на поверхности планеты поднялась до 2600 градусов Цельсия.

Согласно команде Белла низкое альбедо планеты WASP-12b не может быть объяснено «традиционными» для других горячих юпитеров факторами, такими как облака или щелочные металлы, поскольку при настолько высокой температуре, как в случае планеты WASP-12b, в атмосфере планеты облака не формируются, а щелочные металлы находятся в ионизированном состоянии. Вместо этого низкое альбедо планеты WASP-12b следует объяснять тем, что ее атмосфера состоит в основном из водорода, диссоциирующего при высокой температуре на атомы, и гелия – что делает ее похожей на атмосферу звезды небольшой массы. Известно, что такая атмосфера имеет высокую поглощающую способность по отношению к свету, поясняет Белл.

Самая горячая точка газовой планеты, расположенной рядом с далекой звездой, располагается не там, где ее ожидали увидеть астрофизики – открытие, которое противоречит предсказаниям, сделанным на основе современной модели атмосфер планет этого класса.

В отличие от нашего Юпитера так называемые «горячие юпитеры» обращаются очень близко к родительской звезде, так близко, что один оборот вокруг звезды они совершают менее чем за трое суток. Одно полушарие этих планет всегда обращено к звезде, в то время как другое полушарие всегда «смотрит» в космическую тьму.

Поэтому самая горячая точка в атмосфере таких планет располагается на дневной стороне. Наблюдения за другими горячими юпитерами и теоретические предсказания указывают также на то, что в атмосферах этих планет близ экватора дуют ветра в восточном направлении, которые иногда смещают самую горячую точку к востоку.

Однако в случае таинственной экзопланеты CoRoT-2b самая горячая точка обнаружилась в противоположном направлении – к западу от центра. Исследовательская группа под руководством Лизы Данг (Lisa Dang), студента докторантуры Университета Макгилл, Канада, наблюдавшая эту планету при помощи космического телескопа НАСА Spitzer («Спитцер»), предлагает три возможных объяснения этого факта. Во-первых, планета может вращаться вокруг внутренней оси настолько медленно, что один оборот вокруг оси происходит дольше, чем полный оборот вокруг звезды. В этом случае, действительно, формируются ветра, дующие в западном направлении, однако гипотеза плохо соответствует модели гравитационного взаимодействия между звездой и планетой, находящейся на настолько узкой орбите. Вторая рассматриваемая командой Данг гипотеза объясняет западное смещение горячей точки взаимодействием с магнитным полем планеты. Это дало бы редкую возможность изучить магнитное поле экзопланеты. Третья гипотеза говорит о том, что восточную часть планеты могут покрывать толстым слоем облака, заставляющие ее казаться менее яркой, чем на самом деле. Однако эта гипотеза плохо сходится с современными моделями циркуляции атмосферы на таких планетах.

Для выбора в пользу одной из рассматриваемых гипотез или выработки новых предположений команде Данг требуются дополнительные наблюдения системы CoRoT-2 при помощи нового космического телескопа НАСА James Webb («Джеймс Уэбб»), запуск которого намечен на следующий год.

Oбитатели «суперземель» могут быть прочно заперты на своих планетах силой тяжести

Планеты «суперземли» представляют собой гигантские версии Земли, причем некоторые исследования показали, что они более пригодны для жизни, нежели миры размером с Землю. Однако новое исследование показывает, как трудно будет обитателям этих экзопланет исследовать космическое пространство.

По словам автора, для запуска эквивалента миссии по исследованию Луны «Аполлон» ракета на «суперземле» должна иметь массу около 400 000 метрических тонн из–за требований к топливу — это величина порядка массы Великой пирамиды Гизы в Египте.

«На более массивных планетах космический полет будет экспоненциально дороже» — так сказал автор исследования Майкл Гиппке, независимый исследователь, связанный с обсерваторией Зоннеберга в Германии. «У таких цивилизациях не было бы спутникового телевидения, миссии к Луне или космического телескопа Хаббла».

Уже проведенные исследования чужих миров вокруг других звезд открыли новый класс экзопланет — «суперземли», которые могут быть больше нашей Земли по массе до 10 раз. Ряд «суперземель», по–видимому, лежит в обитаемых зонах их звезд, где температура теоретически может поддерживать жидкую воду на поверхности планеты и, следовательно, ту форму жизни, что известна на Земле.

В предыдущих работах было показано, что такие миры могли бы предложить условия более подходящие для жизни, чем подобные Земле планеты. Например, большая масса «суперземель» позволяет их гравитации удерживать более толстые атмосферы, чтобы лучше защитить жизнь от вредных космических лучей.

В принципе, эволюция жизни на далекой «суперземле» может привести к развитой цивилизации, способной к космическому полету. Тем не менее, сильное гравитационное поле таких планет может также затруднить для инопланетян попытки вырваться в косомос с их планет, сказал Гиппке в новом исследовании.

Чтобы понять уровень трудностей, с которыми бы столкнулись суперземлянцы при постройке обычной ракеты, Гиппке подсчитал размеры ракет, необходимые для того, чтобы покинуть «суперземлю» на 70 процентов превышающую нашу планету по размеру и в 10 раз более массивную. Это примерно спецификация чужой планеты Kepler–20b, которая лежит примерно в 950 световых годах от Земли. В таком мире скорость вылета примерно в 2,4 раза больше, чем на Земле.

Большой проблемой для инопланетян в таком мире будет вес топлива, которое несут обычные ракеты. Запуск ракеты с планеты требует большого количества топлива, что делает ракеты тяжелыми, что требует большего количества топлива, что делает корабль тяжелее — и так до бесконечности.

«Я удивлен тем, насколько нам, людям, повезло оказаться на планете, которая по–прежнему достаточно легка для проведения космических полетов» — сказал Гиппке Space.com. «Другие цивилизации, если они существуют, могут быть не такими удачливыми».

Предполагая на моделируемой «суперземле» ракету типа SpaceX Falcon Heavy для запуска полезной нагрузки типа космического телескопа Джеймса Уэбба (NASA), расчет требует минимум 55000 метрических тонн топлива, что сопоставимо с массой крупнейших океанских линкоров — сказал Гиппке.

«Цивилизации таких планет гораздо реже исследуют звезды» — сказал Гиппке. «Они в какой–то мере заперты как в тюрьме на своей родной планете и, например, больше используют лазеры или радиотелескопы для межзвездной связи вместо отправки зондов или космических кораблей».

Однако ракеты лучше работают в вакууме космоса, чем в атмосфере. Например, Гиппке предположил, что суперземлянцы могут захотеть запускать ракеты с вершин гор. Однако сильное гравитационное притяжение «суперземель» выравнивает их поверхности, приводя к меньшим горам. И на Земле преимущество запуска на больших высотах не очень велико по сравнению с запуском на уровне моря, сказал Гиппке.

Могут существовать способы достижения орбиты, отличные от обычных ракет, например, использование космических лифтов, движущихся по гигантским кабелям, выходящим за пределы атмосферы. Однако ключевым ограничивающим фактором космических лифтов является прочность кабельного материала. Наиболее подходящий материал, известный сегодня, углеродные нанотрубки, едва ли достаточно прочен даже для гравитации Земли, и неясно, существуют ли более прочные материалы в принципе, из–за чего трудно предсказать, могут ли космические лифты физически существовать на «суперземлях».

Другая возможность — это движение с использованием ядерной энергии, которое предполагает детонацию серии атомных бомб за транспортным средством, чтобы вытащить его в космос. Эта взрывная стратегия предлагает больше возможностей для подъема, чем обычные ракеты, и может быть единственным способом для цивилизации покинуть планету с массой свыше 10 масс Земли, сказал Гиппке.

Однако такой ядерный космический аппарат создаст не только технические проблемы, но и политические, — сказал он.

«Сбой запуска, который обычно происходит с 1–процентным риском, может привести к серьезным последствиям для окружающей среды» для атомного космического корабля, сказал Гиппке. «Я мог только представить себе, что общество принимает эти риски в флагманском проекте, где нет других вариантов, но желание сильное — например, миссия покинуть свою планету и посетить луну».

Гиппке подробно изложил свои выводы 12 апреля в исследовании, представленном в Международный журнал астробиологии.
https://thealphacentauri.net/superearth-is-a-jail/

Субсатурны ставят под вопрос теорию формирования планет

Обнаружение экзопланеты, масса которой находится в интервале между массой Нептуна и массой Сатурна, может привести к пересмотру современных моделей формирования планет.

В настоящее время одной из ведущих моделей формирования планет является гипотеза «аккреции на ядро», которая хорошо объясняет особенности нашей Солнечной системы, и в частности, тот факт, что в ней отсутствуют планеты размером между Нептуном и Сатурном. Суть этой гипотезы состоит в том, что в результате гравитационной нестабильности в протопланетном диске формируется ядро изо льда и камня массой примерно 10 масс Земли. Дальнейшая аккреция сформировавшимся таким образом ядром материи происходит в два этапа: на первом этапе происходит медленная аккреция гелия и водорода до достижения планетным зародышем массы примерно в 20 масс Земли, а далее процесс аккреции становится значительно более интенсивным, и масса планеты резко возрастает до отметки порядка сотни масс Земли. Так как масса Нептуна составляет примерно 17 масс Земли, а масса Сатурна оценивается в 95 масс нашей планеты, эта гипотеза объясняет отсутствие в Солнечной системе планет с массами в промежутке между примерно 20 и 100 массами Земли. Но выполняется ли это правило в иных планетных системах?

В новой работе исследователи во главе с Апарной Бхаттачарьей (Aparna Bhattacharya) из Центра космических полетов Годдарда НАСА, США, поставили под вопрос справедливость рассмотренной выше гипотезы, наблюдая экзопланету класса субсатурнов под названием OGLE-2012-BLG-0950 и рассчитав при помощи метода гравитационного микролинзирования ее массу, которая составила порядка 39 масс Земли. Эти данные идут вразрез с моделью аккреции на ядро, согласно которой планеты с массой в интервале от 20 до примерно 100 масс Земли являются неустойчивыми и быстро аккрецируют массу, стабилизируясь на отметке порядка сотни масс Земли, поэтому проведенный в исследовании анализ может привести к пересмотру этой концепции, говорят авторы