С открытием атмосферы у экзопланеты, похоже, поторопились

Борис Штерн

Борис Штерн

Аст­ро­но­мы нашли атмо­сфе­ру у экзо­пла­не­ты зем­но­го типа» — новость под при­мер­но таким заго­лов­ком обле­те­ла мир в нача­ле апре­ля 2017 года. Пла­не­та по раз­ме­ру (1,2–1,4 RЗ) и по мас­се (1,6 ± 0,5 МЗ) подоб­на Зем­ле, но для жиз­ни непри­год­на — нахо­дит­ся слиш­ком близ­ко к звез­де. Рав­но­вес­ная тем­пе­ра­ту­ра для пла­не­ты — око­ло 650 кель­ви­нов, то есть она слиш­ком горя­чая. Звез­да GJ 1132 — крас­ный кар­лик, вре­мя обра­ще­ния пла­не­ты вокруг звез­ды — 1,6 дня.

Речь шла о пла­не­те GJ 1132 b, нахо­дя­щей­ся в 39 све­то­вых годах от нас. Источ­ни­ком ново­сти ста­ла ста­тья интер­на­ци­о­наль­но­го кол­лек­ти­ва (John Southworth et al.), опуб­ли­ко­ван­ная в жур­на­ле Astronomical Journal [1]. Дан­ные были полу­че­ны на одном из теле­ско­пов Евро­пей­ской южной обсер­ва­то­рии в Чили.

Это была бы хоро­шая и важ­ная новость, ока­жись она прав­дой. Дело в том, что совсем недав­но нашли пла­не­ты зем­но­го типа в зоне оби­та­е­мо­сти у крас­ных кар­ли­ков Прок­си­ма b [2] и TRAPPIST-1 [3]. Прок­си­ма Цен­тав­ра — бли­жай­шая к нам звез­да, а в систе­ме TRAPPIST-1 сра­зу семь пла­нет, по мень­шей мере три из кото­рых нахо­дят­ся в зоне оби­та­е­мо­сти. То есть на поверх­но­сти этих пла­нет может суще­ство­вать вода в жид­ком виде. Но крас­ные кар­ли­ки — весь­ма про­блем­ные звез­ды из-за силь­ной маг­нит­ной актив­но­сти. На них про­ис­хо­дят мощ­ней­шие звезд­ные вспыш­ки, они испус­ка­ют силь­ный звезд­ный ветер и жест­кое излу­че­ние.

Для систе­мы TRAPPIST-1 рент­ге­нов­ское облу­че­ние пла­нет на три поряд­ка выше, чем для Зем­ли, звезд­ный ветер силь­ней при­мер­но в той же про­пор­ции, и как раз он — глав­ная про­бле­ма для воз­ник­но­ве­ния жиз­ни. Он, гру­бо гово­ря, сду­ва­ет атмо­сфе­ру пла­нет, как сдул боль­шую часть атмо­сфе­ры Мар­са. Един­ствен­ная защи­та атмо­сфе­ры — силь­ное маг­нит­ное поле пла­не­ты, выдер­жи­ва­ю­щее дав­ле­ние звезд­но­го вет­ра. Види­мо, тре­бу­ет­ся пла­не­тар­ное поле силь­нее зем­но­го, что про­бле­ма­тич­но из-за более мед­лен­но­го вра­ще­ния пере­чис­лен­ных выше пла­нет вокруг сво­ей оси.

И вот обна­ру­же­на пла­не­та зем­ной груп­пы, нахо­дя­ща­я­ся еще бли­же к звез­де, чем Прок­си­ма b и пла­не­ты TRAPPIST-1, при этом ее атмо­сфе­ра сохра­ни­лась! Зна­чит, у дру­гих, более холод­ных пла­нет, что вра­ща­ют­ся вокруг крас­ных кар­ли­ков, тоже мог­ли сохра­нить­ся атмо­сфе­ры! Зна­чит, они могут быть при­год­ны для жиз­ни! Заме­ча­тель­ное было бы дока­за­тель­ство, если бы резуль­тат ока­зал­ся вер­ным.

Поче­му я исполь­зую сосла­га­тель­ное накло­не­ние? Дело в том, что еще в декаб­ре 2016 года, когда был опуб­ли­ко­ван элек­трон­ный пре­принт упо­мя­ну­той выше рабо­ты, мне бро­си­лась в гла­за неправ­до­по­доб­но огром­ная вели­чи­на эффек­та.

Вот что, соб­ствен­но, обна­ру­жи­ли. Пла­не­та — тран­зит­ная, то есть для зем­но­го наблю­да­те­ля она пере­се­ка­ет диск сво­ей звез­ды, отче­го наблю­да­е­мая яркость звез­ды немно­го пада­ет на вре­мя. Бла­го­да­ря это­му свой­ству ее и нашли. Пери­о­ди­че­ские паде­ния ярко­сти оди­на­ко­вой про­дол­жи­тель­но­сти — это и есть чет­кий при­знак пла­не­ты. Зем­ля затме­ва­ет Солн­це все­го на одну деся­ти­ты­сяч­ную, но это мож­но обна­ру­жить с рас­сто­я­ния в тыся­чу све­то­вых лет.

Рис. 1. Кривые блеска звезды GJ 1132 при прохождении планеты по ее диску, снятые в разных спектральных полосах. Полосы g, r, I — оптика, z -ближний инфракрасный диапазон. Верхние четыре кривые (сверху вниз) полосы g, r, i, z из статьи https://arxiv.org/abs/1612.02425v2, нижние три — результаты других работ

Рис. 1. Кри­вые блес­ка звез­ды GJ 1132 при про­хож­де­нии пла­не­ты по ее дис­ку, сня­тые в раз­ных спек­траль­ных поло­сах. Поло­сы g, r, I — опти­ка, z -ближ­ний инфра­крас­ный диа­па­зон. Верх­ние четы­ре кри­вые (свер­ху вниз) поло­сы g, r, i, z из ста­тьи https://arxiv.org/abs/1612.02425v2, ниж­ние три — резуль­та­ты дру­гих работ

Изме­ряя кри­вую блес­ка звез­ды, мож­но опре­де­лить раз­мер пла­не­ты по глу­бине «корыт­ца», вызван­но­го про­хож­де­ни­ем пла­не­ты (рис. 1). По дан­ным в опти­че­ском диа­па­зоне, ради­ус GJ 1132 b полу­ча­ет­ся рав­ным 1,37 ради­у­са Зем­ли. А в ближ­нем инфра­крас­ном диа­па­зоне (фильтр z, око­ло 900 нано­мет­ров) — почти 1,6 ради­у­са Зем­ли, при­чем ста­ти­сти­че­ская зна­чи­мость отли­чия состав­ля­ет 4 s (рис. 2).

Рис. 2. Видимый радиус планеты, извлекаемый из данных, показанных на рис. 1 для разных спектральных диапазонов. Две крайне левые точки, противоречащие друг другу, получены разными авторскими коллективами. Точка обсуждаемой работы — ниже. Верхняя точка — из работы: Berta-Thompson Z. K., et al. // Nature, 2015, 527, 204

Рис. 2. Види­мый ради­ус пла­не­ты, извле­ка­е­мый из дан­ных, пока­зан­ных на рис. 1 для раз­ных спек­траль­ных диа­па­зо­нов. Две крайне левые точ­ки, про­ти­во­ре­ча­щие друг дру­гу, полу­че­ны раз­ны­ми автор­ски­ми кол­лек­ти­ва­ми. Точ­ка обсуж­да­е­мой рабо­ты — ниже. Верх­няя точ­ка — из рабо­ты: Berta-Thompson Z. K., et al. /​/​ Nature, 2015, 527, 204

Как эта раз­ни­ца интер­пре­ти­ру­ет­ся аст­ро­фи­зи­ка­ми? Допу­стим, у пла­не­ты есть атмо­сфе­ра. В опти­че­ском диа­па­зоне она про­зрач­на, по край­ней мере выше уров­ня обла­ков, если на пла­не­те есть обла­ка. Ниж­ний уро­вень про­зрач­но­сти дает мень­шее зна­че­ние ради­у­са. Но в ближ­нем инфра­крас­ном диа­па­зоне излу­че­ние погло­ща­ют пары воды. Это про­ис­хо­дит и на Зем­ле: в сред­нем в зем­ной атмо­сфе­ре око­ло 0,25% водя­но­го пара — он погло­ща­ет око­ло чет­вер­ти внеш­не­го излу­че­ния в рай­оне 900 нано­мет­ров. Если посмот­реть на Зем­лю на фоне Солн­ца, то на 900 нано­мет­рах она будет казать­ся чуть боль­ше, чем в види­мом све­те. Раз­ни­ца в види­мом ради­у­се будет неве­ли­ка — поряд­ка 15–20 км, в зави­си­мо­сти от широ­ты. А в слу­чае пла­не­ты GJ 1132 b ана­ло­гич­ная раз­ни­ца состав­ля­ет 0,2 ради­у­са Зем­ли — боль­ше тыся­чи кило­мет­ров! Как такое может быть?

Разу­ме­ет­ся, какую-то часть этой раз­ни­цы в опти­че­ском и инфра­крас­ных диа­па­зо­нах мож­но объ­яс­нить за счет тем­пе­ра­ту­ры на экзо­пла­не­те. Там она вдвое выше (в гра­ду­сах Кель­ви­на), поэто­му она вдвое более пух­лая (плот­ность при дан­ном дав­ле­нии вдвое ниже). Но всё рав­но полу­ча­ет­ся эффект в десят­ки, а не в тыся­чи кило­мет­ров.

С помо­щью более тол­стой и влаж­ной атмо­сфе­ры мож­но натя­нуть еще боль­шую раз­ни­цу, где-нибудь до сот­ни кило­мет­ров. Но выше не прыг­нешь, плот­ность атмо­сфе­ры убы­ва­ет с высо­той экс­по­нен­ци­аль­но. Для Зем­ли посто­ян­ная в экс­по­нен­те — 7 км. Если атмо­сфе­ра GJ 1132 b по соста­ву подоб­на зем­ной (доми­ни­ру­ет N2) или вене­ри­ан­ской (доми­ни­ру­ет СО2), то дав­ле­ние в ней будет падать в е раз каж­дые 10–15 км. Поэто­му ожи­да­е­мый эффект погло­ще­ния в поло­се око­ло 900 нано­мет­ров для атмо­сфе­ры типа зем­ной или вене­ри­ан­ской на поря­док мень­ше того, что декла­ри­ру­ет­ся для пла­не­ты GJ 1132 b. Так дик­ту­ет баро­мет­ри­че­ская фор­му­ла.

Но это спра­вед­ли­во для атмо­сфер типа зем­ной, мар­си­ан­ской или вене­ри­ан­ской — азот, угле­кис­лый газ. А если взять юпи­те­ри­ан­скую атмо­сфе­ру — водо­род + гелий — и при­ло­жить ее к пла­не­те зем­но­го типа? Тогда полу­чит­ся на поря­док более пух­лая атмо­сфе­ра — моле­ку­ла водо­ро­да в 14 раз лег­че моле­ку­лы азо­та, не гово­ря о СО2. Напом­ним: при дан­ном дав­ле­нии чис­ло моле­кул в еди­ни­це объ­е­ма не зави­сит от моле­ку­ляр­но­го веса. Это зна­чит, высо­та паде­ния дав­ле­ния в е раз будет на поря­док боль­ше. В такой атмо­сфе­ре, где основ­ной газ — водо­род, пары воды дей­стви­тель­но могут ока­зать­ся в доста­точ­ном коли­че­стве на высо­те 1000 км.

Авто­ры ста­тьи пони­ма­ют, что водо­род­ная атмо­сфе­ра необ­хо­ди­ма, что­бы объ­яс­нить резуль­тат, и срав­ни­ва­ют его с рас­че­та­ми, сде­лан­ны­ми имен­но для водо­род­но-доми­ни­ро­ван­ной атмо­сфе­ры. И полу­чен­ные дан­ные при­мер­но сов­па­да­ют с их гипо­те­зой. Но…

Рас­смот­рим обще­при­ня­тый гра­фик убе­га­ния пла­нет­ных атмо­сфер (рис. 3). По гори­зон­та­ли — рав­но­вес­ная тем­пе­ра­ту­ра, по вер­ти­ка­ли — вто­рая кос­ми­че­ская для дан­ной пла­не­ты. Если точ­ка, соот­вет­ству­ю­щая пла­не­те, ниже пунк­ти­ра, обо­зна­чен­но­го Н2, то водо­род из атмо­сфе­ры убе­га­ет за вре­мя мень­шее, чем вре­мя суще­ство­ва­ния Сол­неч­ной систе­мы. Точ­ка, соот­вет­ству­ю­щая GJ 1132 b, лежит замет­но глуб­же, чем Зем­ля.

Рис. 3. Диаграмма, характеризующая утечку атмосфер разного состава в зависимости от условий на планете. По горизонтальной оси — равновесная температура, определяемая через баланс поглощения и излучения черного тела. Реальная температура на поверхности планеты, и особенно в экзосфере, больше равновесной температуры. По вертикальной оси — вторая космическая скорость для планеты. Пунктиры показывают утечку данного газа за время существования Солнечной системы. Ниже — утечка происходит быстрей, причем скорость утечки экспоненциально зависит от второй космической

Рис. 3. Диа­грам­ма, харак­те­ри­зу­ю­щая утеч­ку атмо­сфер раз­но­го соста­ва в зави­си­мо­сти от усло­вий на пла­не­те. По гори­зон­таль­ной оси — рав­но­вес­ная тем­пе­ра­ту­ра, опре­де­ля­е­мая через баланс погло­ще­ния и излу­че­ния чер­но­го тела. Реаль­ная тем­пе­ра­ту­ра на поверх­но­сти пла­не­ты, и осо­бен­но в экзо­сфе­ре, боль­ше рав­но­вес­ной тем­пе­ра­ту­ры. По вер­ти­каль­ной оси — вто­рая кос­ми­че­ская ско­рость для пла­не­ты. Пунк­ти­ры пока­зы­ва­ют утеч­ку дан­но­го газа за вре­мя суще­ство­ва­ния Сол­неч­ной систе­мы. Ниже — утеч­ка про­ис­хо­дит быст­рей, при­чем ско­рость утеч­ки экс­по­нен­ци­аль­но зави­сит от вто­рой кос­ми­че­ской

Кар­тин­ка неточ­ная — по гори­зон­таль­ной оси отло­же­на рав­но­вес­ная тем­пе­ра­ту­ра, а ско­рость убе­га­ния зави­сит от тем­пе­ра­ту­ры в экзо­сфе­ре (суще­ствен­но более высо­кая), кото­рая может зави­сеть от ряда усло­вий. Но она при­мер­но пра­виль­но пока­зы­ва­ет мас­штаб бед­ствия. И этот мас­штаб огро­мен.

Дело в том, что темп убе­га­ния водо­ро­да зави­сит от рас­сто­я­ния до линии Н2 на рис. 3 экс­по­нен­ци­аль­но. Обыч­но теп­ло­вая ско­рость моле­кул мень­ше вто­рой кос­ми­че­ской и убе­га­ние моле­кул про­ис­хо­дит на экс­по­нен­ци­аль­но пада­ю­щем хво­сте рас­пре­де­ле­ния Макс­вел­ла. Поэто­му на более горя­чей пла­не­те с близ­ким к зем­но­му гра­ви­та­ци­он­ным потен­ци­а­лом ско­рость убе­га­ния водо­ро­да будет выше, чем на Зем­ле, не в разы, а на поряд­ки. На Зем­ле вре­мя убе­га­ния водо­род­ной атмо­сфе­ры на поряд­ки мень­ше вре­ме­ни ее суще­ство­ва­ния.

Повто­рюсь, что авто­ры ста­тьи совер­шен­но не обсуж­да­ют эту про­бле­му. Ста­тей дру­гих авто­ров на эту тему при­ме­ни­тель­но к дан­ной пла­не­те пока нет. Веро­ят­но, они сей­час пишут­ся. Навер­ное, есть и те, кто ищет лазей­ки — как сохра­нить водо­род­но-доми­ни­ро­ван­ную атмо­сфе­ру в таких усло­ви­ях. Думаю, им нелег­ко. Я могу лишь выска­зать пару общих мето­до­ло­ги­че­ских сооб­ра­же­ний.

Утвер­жде­ние о водо­род­но-доми­ни­ро­ван­ной горя­чей атмо­сфе­ре доста­точ­но ста­рой пла­не­ты зем­ной мас­сы отно­сит­ся к клас­су чрез­вы­чай­ных. Такая атмо­сфе­ра нефи­зич­на, даже если с помо­щью каких-то натя­жек ее мож­но обос­но­вать. Есть хоро­шее выска­зы­ва­ние Кар­ла Сага­на: чрез­вы­чай­ные утвер­жде­ния тре­бу­ют чрез­вы­чай­ных сви­де­тельств. Мож­но ли счи­тать резуль­тат изме­ре­ния со ста­ти­сти­че­ской зна­чи­мо­стью 4 сиг­ма чрез­вы­чай­ным сви­де­тель­ством? Тео­ре­ти­че­ски веро­ят­ность слу­чай­ной флук­ту­а­ции дан­ных на 4сигма — поряд­ка одной деся­ти­ты­сяч­ной. Но чело­век, хоро­шо зна­ко­мый с науч­ной лите­ра­ту­рой в обла­сти аст­ро­фи­зи­ки, лишь кри­во усмех­нет­ся.

Чис­ло непод­твер­див­ших­ся эффек­тов со ста­ти­сти­че­ской зна­чи­мо­стью 4 сиг­ма, воз­мож­но, пре­вы­ша­ет чис­ло под­твер­див­ших­ся. В физи­ке высо­ких энер­гий 4 сиг­ма вызы­ва­ют боль­шее ува­же­ние, посколь­ку там усло­вия экс­пе­ри­мен­та луч­ше кон­тро­ли­ру­ют­ся, а в аст­ро­фи­зи­ке сама про­бле­ма опре­де­ле­ния ста­ти­сти­че­ской зна­чи­мо­сти часто слож­на.

Она слож­на и в дан­ном слу­чае, поэто­му допу­ще­ние, что авто­ры недо­оце­ни­ли ошиб­ки изме­ре­ний, гораз­до прав­до­по­доб­ней, чем допу­ще­ние о водо­род­но-доми­ни­ро­ван­ной атмо­сфе­ре в дан­ных усло­ви­ях. Тем более дан­ные раз­ных работ про­ти­во­ре­чат друг дру­гу: зна­че­ние ради­у­са пла­не­ты в пред­ше­ству­ю­щей рабо­те ока­зы­ва­ет­ся на 0,2 зем­ных ради­у­са мень­ше, точ­ки для поло­сы g из раз­ных работ рас­хо­дят­ся более чем на 3 сиг­ма (рис. 2).

Водо­род­ные атмо­сфе­ры есть у мас­сив­ных пла­нет (см. рис. 3), и они най­де­ны у несколь­ких экзо­пла­нет при­мер­но тем же мето­дом с помо­щью «Хаб­б­ла», кото­рый име­ет более высо­кую чув­стви­тель­ность. Это горя­чие юпи­те­ры и даже горя­чий неп­тун. Вполне воз­мож­но, атмо­сфе­ры есть и у зем­ле­по­доб­ных пла­нет близ крас­ных кар­ли­ков, но они не детек­ти­ру­ют­ся назем­ны­ми теле­ско­па­ми и едва ли по зубам «Хаб­б­лу».

Ско­рее все­го, их смо­жет заре­ги­стри­ро­вать новый кос­ми­че­ский теле­скоп «Джеймс Уэбб», кото­рый будет запу­щен в сле­ду­ю­щем году. Подо­ждем, оста­лось недол­го.

Борис Штерн,
аст­ро­фи­зик (Инсти­тут ядер­ных иссле­до­ва­ний РАН)

1. Обще­до­ступ­ная вер­сия опуб­ли­ко­ва­на в архи­ве элек­трон­ных пре­прин­тов https://arxiv.org/pdf/1612.02425.pdf
2. Штерн Б. Е. Есть ли жизнь у Прок­си­мы Цен­тав­ра? /​/​ ТрВ-Нау­ка, № 212 от 6 сен­тяб­ря 2016 года
3. Штерн Б. Е. Надеж­да… на экзо­пла­нет­ную жизнь /​/​ ТрВ-Нау­ка, № 223 от 28 фев­ра­ля 2017 года

Если вы нашли ошиб­ку, пожа­луй­ста, выде­ли­те фраг­мент тек­ста и нажми­те Ctrl+Enter.

Связанные статьи

Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (Пока оценок нет)
Загрузка...
 
 

Метки: , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,

 

5 комментариев

  • Владимир:

    Эти аргу­мен­ты – сомне­ния надо бы послать в аст­ро­фи­зи­че­ский жур­нал (уже послал ?).
    В физи­ке высо­ких энер­гий 4 сиг­ма, даже 5 сиг­ма тоже недо­ста­точ­но, как пока­за­ла исто­рия с пен­та­к­вар­ка­ми – «пен­та­к­вар­ко­вая дра­ма»). Для новых пен­та­к­вар­ков со скры­тым оча­ро­ва­ни­ем досто­вер­ность их наблю­де­ния – на уровне 12 сиг­ма и 9 сиг­ма – вот это дру­гое дело!
    ВК

    • stern:

      Нет не послал. Я думаю, этим ребя­там и без меня всып­лют, а ста­тья с кри­ти­кой сла­бой рабо­ты осо­бой цен­но­сти не пред­став­ля­ет. Я напи­сал попу­ляр­ную ста­тью лишь пото­му, что от той ста­тьи был боль­шой медий­ный эффект

  • wa57:

    Инте­рес­но!

    Атмо­сфе­ра может нахо­дить­ся в состо­я­нии гид­ро­ди­на­ми­че­ско­го убе­га­ния. Вре­мя жиз­ни коро­че, но все рав­но несколь­ко 109 лет.

    • Б.Штерн:

      Там для водо­ро­да вре­мя убе­га­ния долж­но быть гораз­до коро­че, чем 109. Попро­бую най­ти оцен­ки.

    • Б.Штерн:

      Умные люди пишут, что на Вене­ре гид­ро­ди­на­ми­че­ское убе­га­ние унес­ло всю воду за 10 мил­ли­о­нов лет.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Недопустимы спам, оскорбления. Желательно подписываться реальным именем. Аватары - через gravatar.com