Как взвесить экзопланету спектроскопом?
Учёные из Массачусетского института технологий предложили новый метод измерения массы планет в далёких звёздных системах. Метод основан на спектральном анализе света звезды, приходящего через атмосферу заслоняющей её от нас планеты. Помимо массы он позволяет определить и ряд других важных характеристик: состав атмосферы, её температуру, давление и толщину.
Спектральный анализ атмосферы экзопланеты в представлении художника.
Credit: Christine Daniloff/MIT, Julien de Wit
Сейчас, когда подтверждено обнаружение более 900 планет вне Солнечной системы (а в каталоге сайта exoplanet.eu их 1056, хотя онлайн-база данных НАСА содержит только 976 записей), и ещё более 2300 находятся в статусе кандидатов, на первые роли выходит задача определения параметров экзопланет, в первую очередь размеров, массы и расстояния до родительской звезды.
Массу экзопланет обычно определяют методом радиальных скоростей - по колебаниям звезды, вызванным движением планеты по орбите. Этот метод, однако, позволяет определить только минимальную границу возможной массы. Кроме того, он не работает для землеподобных экзопланет - исследуемая планета должна быть или значительно массивнее, или ближе к звезде.
Утрированная иллюстрация колебаний звезды, вызванных наличием вращающейся планеты.
Credit: Zhatt // Wikimedia Commons
Другие методы определения массы экзопланет также имеют серьёзные ограничения, поэтому астрофизики активно ищут новые способы «взвешивания». Один из таких перспективных методов и был предложен в недавно опубликованной в Science статье.
Предлагаемый метод, получивший от авторов название MassSpec, основан на наблюдении за спектральными компонентами света, приходящего от звёзд с так называемыми транзитными экзопланетами, то есть планетами, проходящими в процессе своего обращения вокруг звезды между нею и Землёй.
Известно, что многие планеты должны иметь атмосферу, состоящую из различных газов - кислород, азот, метан, углекислый газ, водяные пары. В отличие от самой планеты атмосфера не заслоняет от нас свет звезды, но может его поглощать. Причём величина поглощения зависит от состава атмосферы, её толщины, а также частоты проходящих волн.
Схематическое изображение зависимости глубины затемнения от длины волны.
Credit: Julien de Wit, Sara Seager // Science
В своей работе учёные показали, что измеряя величину затемнения на различных длинах волн, можно однозначно определить все характеристики атмосферы. А зная их, уже несложно вычислить и массу планеты.
Новый метод пока что был испытан только на искусственно созданных данных, и показал неплохие результаты: точность определения массы планеты с атмосферой, состоящей преимущественно из водорода - 2%, из воды - 10%, из азота - 15%. Ожидается, что на реальных наблюдениях метод будет проверен с появлением данных от телескопа Джеймса Уэбба, запуск которого запланирован на 2018 год.