Крупнейший в истории обзор ближайших к Земле протопланетных дисков у молодых звёзд позволил увидеть, как примерно выглядела Солнечная система в момент своего рождения. Дюжина команд астрономов со всей Европы объединила усилия и смогла представить данные о 86 молодых звёздах и окружающих их газопылевых дисках. Эта информация позволит больше узнать об эволюции звёздных систем и планет, а значит, лучше понять нашу систему.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

«Это действительно сдвиг в нашей области исследований, — сказал Кристиан Гински (Christian Ginski), преподаватель Университета Голуэя, Ирландия, и ведущий автор одной из трёх новых статей, опубликованных в Astronomy & Astrophysics. — Мы перешли от интенсивного изучения отдельных звёздных систем к этому огромному обзору целых областей звездообразования».

Для поиска молодых звёзд с протопланетными дисками были осмотрены три большие области звездообразования. Две из них находились на удалении 600 световых лет — это области Тельца и Хамелеона I, а одна на удалении 1600 световых лет — это область Ориона. Для начала учёные выявили общий момент для всех молодых звёздных систем. Оказалось, что протопланетные диски редко возникают в двойных и тройных молодых звёздных системах. В этом плане нам снова повезло. Если бы у Солнца была звезда-партнёр, а то и две, то шансы на появление планет в такой системе резко устремились бы вниз.

Также интересно, что среди протопланетных дисков наблюдалось впечатляющее разнообразие. Среди них были равномерные и безликие диски, диски со спиральными рукавами, пустотами и с другой асимметрией. Подобное учёные объясняют тем, что форма дисков может сильно искажаться, когда в них начинают появляться планетарные тела и чем больше зарождающаяся планета, тем сильнее искажения вплоть до образования спиральных рукавов и разрывов.

«На некоторых из этих дисков видны огромные спиральные рукава, предположительно приводимые в движение сложным танцем планет, вращающихся по орбитам», — поясняет Гински. «На других видны кольца и большие полости, образовавшиеся в результате формирования планет, в то время как другие кажутся гладкими и почти бездействующими среди всей этой суетливой деятельности», — добавляет Антонио Гаруфи (Antonio Garufi), астроном Астрофизической обсерватории Арчетри Итальянского национального института астрофизики (INAF) и ведущий автор одной из статей.

Некоторые из наблюдавшихся в работе протопланетных дисков. Источник изображения: ESO

Основные наблюдения были сделаны с помощью прибора SPHERE, установленного на VLT ESO (Очень большой телескоп Южной европейской обсерватории, установленный в Чили). Данные о распределении газа и пыли в протопланетных дисках предоставил радиотелескоп ALMA, также развёрнутый в Чили. Прибор VLT X-shooter предоставил данные о возрасте и массе наблюдаемых звёзд. Учёные ждут конца десятилетия, когда будет введён в строй Чрезвычайно большой телескоп с 39-м зеркалом. Этот инструмент позволит разглядеть в этих дисках зародыши планет, подобных Земле.

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.

Группа астрономов в данных телескопа NASA TESS обнаружила потенциально пригодный для обитания мир в 137 световых годах от Земли. Экзопланета TOI-715b размерами в полтора раза больше нашей планеты входит в редкую «консервативную зону обитания», в которой условия среды максимально благоприятствуют возникновению биологической жизни. Будущие наблюдения с помощью телескопа «Уэбб» обещают лучше понять ситуацию с этим любопытным объектом.

Художественное представление экзопланеты TOI-715b у красного карлика. Источник изображения: NASA/JPL-Caltech

Телескоп TESS запущен в космос в 2018 году. Он охотится за экзопланетами методом определения провалов в яркости звёзд. Частота и сила провалов позволяют вычислить орбиту небесного тела, проходящего по лику звезды-хозяйки системы, и его массу, а также плотность. По этой информации учёные воссоздают образы тех миров, которые кружат вокруг далёких звёзд.

Чем ближе эти миры, тем больше у нас возможностей лучше их изучить. Например, исследование спектра света звёзд, проходящего сквозь атмосферу экзопланет, даёт данные об их атмосферах. А это уже способность точнее определить пригодность экзопланеты для жизни, чем просто факт её нахождения в зоне обитаемости звезды. Инструменты для такого анализа есть в составе космической обсерватории им. Джеймса Уэбба и рано или поздно он, таким образом, изучит также мир TOI-715b.

«Это открытие является захватывающим, поскольку это первая суперземля в данных TESS, обнаруженная в пределах консервативной обитаемой зоны, — сказала доктор Джорджина Дрансфилд (Georgina Dransfield), научный сотрудник факультета физики и астрономии Бирмингемского университета в Соединенном Королевстве. — Кроме того, поскольку она находится относительно близко, система подходит для дальнейших исследований атмосферы».

Астрономы полагают, что TOI-715b у красного карлика существует в узкой и наиболее оптимальной области вокруг звезды, известной как консервативная обитаемая зона, на которую с меньшей вероятностью влияют пределы погрешности измерений. Орбита экзопланеты составляет 19 дней, поэтому она находится в опасной близости к своей звезде с точки зрения угрозы от вспышек и радиации. Но пока звезда-хозяйка ведёт себя спокойно — за год наблюдений было всего две вспышки небольшой интенсивности и есть вероятность, что такое не повредит гипотетической жизни на планете.

В 2026 году планируется запуск нового европейского охотника за экзопланетами — обсерватории PLATO. Он будет определять экзопланеты вокруг красных и оранжевых карликов, подобных нашему Солнцу. Астрономы получат в свои руки более мощный и более точный инструмент, благодаря которому мы сможем находить не только суперземли, но также планеты, больше соответствующие облику и размерам нашей родной Земли.

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.

Учёные Института Макса Планка (Германия) при помощи космического телескопа «Хаббл» (Hubble) обнаружили, что атмосфера относительно небольшой планеты GJ 9827d в другой звёздной системе богата водяным паром. Но радоваться преждевременно: её поверхность достаточно горяча, чтобы расплавить свинец, а значит, этот мир непригоден для жизни в том виде, в котором мы её знаем.

Источник изображения: mpia.de

Температура на поверхности экзопланеты GJ 9827d сравнима с температурой на Венере — около 400 °C, но это всё равно захватывающее открытие. Дело в том, что это самая маленькая из открытых экзопланет, где была обнаружена вода. А значит, учёные ближе чем когда-либо подобрались к описанию миров, похожих на Землю. GJ 9827d примерно вдвое крупнее Земли, а вращается планета вокруг звезды GJ 9827, которая находится на расстоянии 97 световых лет от нас и наблюдается в созвездии Рыб. Эта планета — лишь один из похожих на Землю миров, вращающихся вокруг этой звезды, а её возраст составляет около 6 млрд лет.

«Хаббл» наблюдал GJ 9827d в течение трёх лет, и за это время планета прошла по диску своей звезды 11 раз. Её состав оценили при помощи спектрального анализа, но у учёных пока нет ясности, составляет ли водный пар небольшую долю в богатой водородом атмосфере, или её атмосфера, напротив, преимущественно состоит из воды. За 6 млрд лет поблизости от родительской звезды водород мог выпариться из атмосферы, оставив её с водяным паром — эта гипотеза подтверждается тем, что вблизи GJ 9827d обнаружить водород не удалось. В противном случае это мини-нептун, то есть уменьшенная и горячая версия расположенного в Солнечной системе ледяного гиганта с плотной атмосферой из водорода и гелия. Или планета может напоминать увеличенную и, опять же, горячую версию Европы — спутника Юпитера, который, как предполагается, под толстой ледяной коркой скрывает в два раза больше воды, чем Земля.

Если же GJ 9827d обладает плотной атмосферой из водяного пара, то значит, что планета родилась дальше от своей звезды, где температура ниже, но впоследствии мигрировала к своей текущей позиции. В результате GJ 9827d подверглась сильному излучению своей звезды, которое превратило её лёд в жидкую воду и в водяной пар. Водород при таких условиях нагрелся бы и начал утекать из атмосферы из-за относительно невысокой гравитации планеты — возможно, эта утечка происходит до сих пор. Теперь GJ 9827d станет предметом изучения для более мощного космического телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST).

Учёные из Университета Уорика (University of Warwick) в ходе анализа данных космического телескопа TESS обнаружили 85 новых кандидатов в экзопланеты с подходящими для жизни условиями. Это означает, что все новые объекты находятся в так называемой обитаемой зоне своей звезды, где климатические условия позволяют воде оставаться жидкой. Эти открытия ещё предстоит подтвердить и, быть может, когда-то это приведёт к открытию инопланетной жизни.

Космический телескоп TESS. Источник изображений: NASA

К настоящему времени открыто свыше 5500 экзопланет. Телескоп TESS внёс свою лепту в эти открытия, охотясь за экзопланетами методом регистрации транзита — прохождения планеты перед диском родной звезды. Кратковременное снижение яркости звезды с определённым периодом позволяет рассчитать массу объекта (экзопланеты), его орбиту, размеры и, следовательно, плотность. Все эти данные позволяют с достаточной точностью выяснить, что за планету мы открыли и насколько она близка по характеристикам к Земле.

Объекту присваивается статус открытой экзопланеты только тогда, когда её размеры и орбита подтверждены двумя различными методами регистрации. Все 85 новых кандидатов пока найдены в данных TESS по транзитам, и они требуют подтверждения. Более того, все новые объекты заслоняли свои звёзды всего по два раза, тогда как уже подтверждённые экзопланеты делали это чаще. И чем чаще это происходит, тем надёжнее данные, а также тем ближе экзопланета находится к звезде, что, в свою очередь, плохо для развития жизни — там слишком жарко и сильная радиация.

Из 85 кандидатов на экзопланеты в обитаемой зоне 25 уже были обнаружены другими командами учёных, что лишний раз подтверждает повторяемость открытий. Но 60 кандидатов названы впервые. Все они находятся в собственных звёздных системах. Предварительные данные говорят, что только что открытые экзопланеты вращаются вокруг своих звёзд с периодом от 20 до 700 суток. Правда, все они больше Земли — от превышения на треть до нескольких десятков раз. Но в этом вина несовершенства наших приборов, которые пока неспособны зарегистрировать по-настоящему землеподобные планеты.

Статистика по открытым экзопланетам

Все новые кандидаты будут дополнительно изучаться для подтверждения и для уточнения данных по ним. Но уже сейчас понятно, что во Вселенной неисчислимое множество планет, и инопланетная жизнь просто по законам больших чисел не должна быть уникальной. Когда-нибудь мы её найдём, а хорошо это будет или плохо — это отдельный вопрос.

Большинство открытых экзопланет имеют устоявшиеся отношения с родительской звездой. Обычно это близкие к звезде планеты, ободранные излучением светила до какого-то стабильного состояния. Увидеть процесс взаимодействия звезды и близкой к ней экзопланеты на ранних стадиях процесса — это большая удача, что позволило бы воочию изучить эволюцию отношений. И такая планета обнаружена — это WASP-69 b в 160 световых годах от Земли.

«Экзопланета с хвостом» в представлении художника. Источник изображения: Adam Makarenko/W. M. Keck Observatory

Планета WASP-69 b была открыта ещё в 2018 году. Тогда астрономы заметили признаки гелия на удалении от планеты на её орбите. Группа учёных из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) решила заново проверить данные и воспользовалась для этого более мощным телескопом Обсерватории Кека на Гавайях.

Данные измерений показали, что за планетой WASP-69 b действительно тянется газовый хвост не короче семи диаметров планеты или примерно на 560 тыс. км. Моделирование показало, что атмосфера экзопланеты истекает в космос со скоростью 200 тыс. т в секунду. Одну земную массу WASP-69 b теряет примерно за каждые миллиард лет. Это планета-гигант — так называемый горячий юпитер — и подобные потери ей нестрашны.

«Мы подозреваем, что для большинства известных экзопланет период потери атмосферы давно закончился, — сказал соавтор исследования Эрик Петигура из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. — Система WASP-69 b — это драгоценный камень, потому что у нас есть редкая возможность изучать потерю массы в атмосфере в режиме реального времени, что ведёт к пониманию важнейших физических процессов, которые формируют тысячи других планет».

Экзопланета WASP-69 b совершает один оборот по орбите всего за 3,9 суток. Она очень близко расположена к своей звезде, и излучение центрального светила буквально сдувает с неё вещество. Этот процесс настолько сильный, что планета выглядит как комета. Вблизи это было бы грандиозное зрелище.

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 Массачусетского технологического института (MIT) и Бирмингемского университета (UB) опубликовала работу, в которой рассказала о беспроигрышном, на их взгляд, способе обнаружения биологической жизни и воды на планетах в других звёздных системах.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

Мы изучаем инопланетные миры по разным причинам, но главным призом станет обнаружение надёжных доказательств появления жизни за пределами Земли. Первым шагом к этому стало обнаружение миров в так называемой обитаемой зоне звёзд. Данное условие позволяет воде оставаться в жидкой фазе, создавая условия для зарождения той жизни, которую мы знаем по Земле. Другими признаками наличия биологической жизни на экзопланетах являются те или иные химические элементы и соединения, которые сопровождают жизненные процессы, например, об этом может сигнализировать углерод и его соединения, а также фосфор и кислород.

Конечно, не всё так однозначно. Весь мир сегодня, к примеру, поднимается на борьбу с парниковыми газами и, непосредственно, с выбросами CO₂. В то же время в атмосфере Земли всего 0,04 % углекислого газа, а в атмосфере Марса 95 %. В атмосфере Венеры его ещё больше — 96,5 %, и её точно нельзя назвать дружественной к биологической жизни. Считается, что всё дело в больших массах воды на Земле. Океан поглощает около 80 % выделяемого биомассой CO₂. На этот маркер и рекомендуют обратить внимание астрономы.

Исследователи предлагают искать экзопланеты, у которых очень и очень маленький процент углекислого газа в атмосфере. Тогда на такой планете можно рассчитывать обнаружить большие водоёмы жидкой воды, что резко повышает шансы для развития биологической жизни. Но наличие воды, всё же, не означает обязательное присутствие жизни. Поэтому для её обнаружения следует искать также присутствие озона. Его легче обнаружить в спектре атмосфер экзопланет, чем кислород. Если на планете есть поглощающая углерод биомасса, то она с большой вероятностью будет вырабатывать кислород. Под воздействием света звезды кислород будет трансформироваться в озон и если биомассы много, озона тоже будет в избытке.

«Если мы увидим озон, довольно высока вероятность того, что он связан с потреблением жизнью углекислого газа, — говорят авторы в работе, опубликованной 28 декабря в журнале Nature Astronom. — И если это жизнь, то это великолепная жизнь. Это будет не просто несколько бактерий. Это будет биомасса планетарного масштаба, способная перерабатывать огромное количество углерода и взаимодействовать с ним».

На наше счастье, космическая обсерватория им. Джеймса Уэбба способна проводить такие исследования и открытия с её помощью признаков жизни в других системах могут не задержаться со своим появлением.

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.