Открытие атмосферных изменений или тектонической активности на экзопланетах?
Изображение извержений вулканов на ночной стороне Ио в разных диапазонах. Снимки сделаны зондом Новые Горизонты в 2007 году с расстояния в 2.3 миллиона километров. Вверху слева монохромное изображение в оптическом диапазоне. Вверху справа цветное изображение в оптическом диапазоне. Справа внизу изображение в ближнем ИК-диапазоне на 1.8-2.3 микрон. Источник.
Вчера в Архиве появилась интересная публикация о возможной регистрации существенного изменения в наблюдаемом тепловом излучение экзопланеты.
Но для начала немного основ. Наиболее изученным классом экзопланет являются транзитные планеты. Это планеты, которые затмевают свои звезды. У любой транзитной планеты существуют два вида затмений:
Источник
Первый вид затмения, это когда сама планета проходит перед диском своей звезды (это называется первичное затмение), второй вид, это когда планета проходит за звездой (т.н. вторичное затмение). Очевидно, что первичное затмение намного глубже, чем вторичное в связи с тем, что яркость звезды намного выше, чем яркость планеты. Важно понимать, что при вторичном затмение к земному наблюдателю обращено дневное полушарие, а при первичном затмение соответственно ночное полушарие.
Другим важным фактором движения экзопланеты по орбите является фазовая кривая. При разных углах освещения яркость планеты меняется по фазовой кривой (наподобие фаз Луны или Венеры). Конечно, эта кривая имеет очень небольшую амплитуду, но современные телескопы, тем не менее, способны уловить эту небольшую амплитуду.
Планета HD209458b, носящая неофициальное имя Осирис знаменита тем, что стала первой открытой транзитной экзопланетой. Впервые ее транзиты были зарегистрированы еще в сентябре 1999 года, т.е. 15 лет назад.
Естественно за эти 15 лет транзиты этой экзопланеты пронаблюдали всевозможные телескопы, вплоть до космического телескопа Хаббл. Вчерашняя публикация также связана с исследованием этой экзопланеты. Авторы публикации пронаблюдали HD209458b в 2010 году на космическом телескопе Спитцер в течение полного оборота планета вокруг звезды на длине волны в 4.5 микрон (ближний инфракрасный диапазон). В результате они получили следующую кривую изменения яркости звезды:
Вверху указана вся кривая, внизу таже кривая сжата по вертикали во много раз. На кривой можно заметить все три детали транзитной экзопланеты - первичное и вторичное затмение, а также фазовую кривую.
Конечно, ничего нового в регистрации этих явлений транзитных экзопланет нет, тем более для той же экзопланеты такие наблюдения уже проводились. Но самое интересное случилось, когда авторы исследования сравнили свои результаты с прошлыми наблюдениями, проведенными на том же телескопе, много лет до этого.
Во-первых, глубина вторичного затмения в последних наблюдениях в 2010 году оказалась на 35% меньше, чем в более ранних наблюдениях в 2005 году на том же телескопе, на той же длине волны. Если выражаться языком математической статистики, то различие составило 4.5 сигма (сигма это уровень превышения измерения над погрешностью). 4.5 сигма это значимое изменение. Если по первым измерениям оцениваемая температура дневной стороны получается в районе 1800 Кельвинов, то по вторым 1499+/-15 Кельвинов. В общем, эта разница эквивалента нескольким сотням градусов температуры. Такое различие можно, к примеру, объяснить сильным изменением в атмосферной циркуляции или мощными вулканическими извержениями.
Для наглядности авторы приводят и сравнение последних и прошлых изменений:
Непрерывная красная линия показывает среднее значение наблюдений 2010 года, пунктирная красная линия показывает среднее значение наблюдений 2005 года.
Во-вторых, прошлые наблюдения этой экзопланеты ранее не обнаруживали фазовую кривую. Тут достоверность регистрации изменений очень низкая: старые наблюдения были проведены на другой волне - 8 микрон и не являлись непрерывными (наблюдения представляли собой только 7 отдельных измерений при разных фазовых углах).
Конечно, температурные измерения на Осирисе являются не первым замеченным возможным изменением на экзопланетах.
Другой необычный феномен был замечен, при получение транзитных спектров транзитной планеты HD189733b. Для нее более ранние наблюдения показали линию поглощения на 1.7 микрон, последующие наблюдения наоборот показали ее отсутствие.
Транзитный спектр HD 189733b, полученный в ближнем ИК с помощью спектрографа NICMOS (красные отметки) и совмещенный с результатами транзитного спектра камеры ACS-HRC (зеленые отметки). Также черным цветом отмечена новая транзитная фотометрия NICMOS. Розовым цветом показана теоретическая модель с высотной дымкой. Источник.
В случае с HD189733b возможное объяснение изменений в спектре может заключаться в переменчивости высотной дымки. Возможно, высотная дымка временами рассеивается и это открывает для спектроскопии нижние слои атмосферы.
В любом случае спектроскопия экзопланет находится на самых ранних этапах становления, наподобие спектроскопии планет Солнечной Системы в начале 20 века. Многие наверняка слышали про многочисленные споры об обнаружение линий кислорода и водного пара в спектре Марса в те времена. Необходимы более точные и регулярные наблюдения для подтверждения изменений на экзопланетах. В значительной мере более точные наблюдения смогут провести новые наземные и космические телескопы, как 39-метровый телескоп E-ELT и космический телескоп Вебб.
Сравнение ИК-изображений космического телескопа Спитцер и Вебб. Источник.
Значимость того же телескопа Вебб настолько высока, что NASA в условиях ограничений бюджета решило не продолжать финансирование космического телескопа Спитцер, после августа этого года. Это звучит достаточно поспешно, учитывая, что уверенность в работоспособности космического телескопа Вебба существует только в теории (к примеру, неизвестно насколько успешно удастся развернуть в космосе его главное зеркало), а Спитцер до сих пор полностью исправен и способен проводить уникальные научные наблюдения, о которых собственно и весь сегодняшний рассказ. Эксплуатация Спитцера требует в год около 16.5 миллионов долларов в год и позволяет проводить каждый год около 7 тысяч часов наблюдений. В теории я думаю, можно рассмотреть варианты продажи этого ценного телескопа другим странам или частным организациям. Общие затраты на проект (называемый одной из великих обсерватории NASA) к настоящему времени оценивается в 2.2 миллиарда долларов.