Космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST) обладает большой мощностью и возможностями для научных открытий. Одна из его основных целей — исследование атмосфер экзопланет с целью определения их химического состава — задача, которую может выполнить только такой мощный инструмент. Однако даже JWST требуется время, чтобы эффективно использовать возможности, особенно когда речь идет об одной из ключевых задач — изучении каменистых экзопланет, вращающихся вокруг красных карликов.

Красные карлики являются самым распространённым типом звёзд во Млечном Пути. Наблюдения показывают, что в обитаемых зонах этих звёзд находится множество каменистых планет. Но вопросы о том, насколько подходят для жизни эти планеты и о возможности наличия атмосферы в зонах обитаемости красных карликов до сих пор остаются без ответа. Астрономы стремятся изучить атмосферы таких планет и искать биосигнатуры и другую информацию о составе их атмосферы.

Иллюстрация экзопланеты K2-18 b на основе научных данных. Космический телескоп JWST исследовал эту экзопланету и обнаружил присутствие углеродсодержащих молекул. Обилие метана и углекислого газа, а также небольшое содержание аммиака подтверждают гипотезу о том, что под богатой водородом атмосферой K2-18 b может существовать водный океан. Но чтобы с большей уверенностью делать выводы о его атмосфере, необходимы более обширные наблюдения. 
Источник: NASA / ESA / CSA / Joseph Olmsted (STScI)

По результатам нового исследования, JWST потребуется сотни часов наблюдений, чтобы обнаружить и помочь изучить атмосферы экзопланет. Единственным автором этого исследования является Рене Дойон из физического факультета Монреальского университета в Канаде. Дойон отмечает, что хотя изучение атмосфер экзопланет является одной из главных задач JWST, до сих пор проделана работа только с несколькими планетами: Trappist-1d, e, f, g, LHS1140b и мини-нептуном K2-18b.

Результаты исследования показывают, что JWST действительно способен изучать атмосферы экзопланет, но также указывают на то, что активность звёзд является препятствием для успешных результатов и качественных, убедительных данных. Телескоп анализирует атмосферы экзопланет, наблюдая, как планета проходит мимо своей звезды. Он анализирует свет звезды, проходящий через атмосферу экзопланеты, в поисках признаков различных молекул.

Один из важнейших вопросов в изучении экзопланет связан с каменистыми планетами, находящимися в обитаемых зонах красных карликов. Обладают ли они атмосферой? К счастью, маломассивные красные карлики и их планеты являются лучшими объектами для спектрометрического исследования.

Однако каждая возможность сопровождается своими трудностями, и когда речь идёт о маломассивных красных карликах, препятствия становятся особенно значимыми. Эти звёзды известны своими сильными вспышками, которые могут сделать близлежащие планеты неподходящими для жизни. Вспышки источают мощное рентгеновское и ультрафиолетовое излучение, которое может разрушить атмосферу планеты. В течение миллиардов лет такие вспышки могут настолько истончить атмосферу, что шансов на обитаемость практически не останется.

Вспышки красных карликов создают ещё одну проблему: эта звёздная активность может затруднить спектроскопическое изучение атмосфер экзопланет.

JWST — лучший инструмент для изучения атмосфер экзопланет. Однако его срок службы ограничен. Он предназначен для работы до 10 лет, и уже сейчас он выполняет свою миссию примерно 18 месяцев. Когда речь идёт об изучении экзопланет, что является лишь одной из его задач, как лучше всего использовать время?

Художественное изображение мощной вспышки, исходящей от красного карлика — Проксимы Центавра. Такие вспышки могут уничтожить атмосферы близлежащих планет. Они также затрудняют спектроскопию атмосфер экзопланет.
Источник: NRAO / S. Dagnello.

По мнению автора, очень важно использовать время JWST не только для изучения атмосферы, но и для подготовки к будущим флагманским миссиям и разведки будущих целей для наземных обсерваторий.

Дойон говорит, что следует отдать приоритет тому, что он называет Golden-J — самых перспективных экзопланет. Эта группа планет достаточно прохладна, чтобы избежать парникового эффекта. И также необходимо иметь точные измерения радиуса и массы, что приводит к точному пониманию их плотности.

«Эти критерии ограничивают выбор лишь несколькими каменистыми планетами: Trappist-1d, e, f, g и LHS1140b. И в качестве исключения мини-нептун K2-18b, несмотря на неопределённость его массы», — пишет Дойон.

JWST, как и «Хаббл», уже исследовал эти экзопланеты. Но результаты содержат неопределённость. Дойон описывает первые взгляды JWST на экзопланеты образца Golden-J как разведывательные и считает, что для устранения большей части этой неопределённости следует более тщательно изучить эти планеты в оставшееся время.

Экзопланете LHS-1140 b уделено большое внимание в работах Дойона. «LHS1140b, пожалуй, лучшая планета с умеренным климатом, о состоянии жидкой поверхности которой можно косвенно судить, опираясь на обнаружение CO2 в её атмосфере», — пишет автор. Но JWST может наблюдать только 4 транзита планеты и 4 её затмения за один год. JWST может потребоваться 12 «взглядов» в течение трёх лет, чтобы собрать достаточно убедительные доказательства присутствия жидкой воды на поверхности.

Дойон называет эту попытку более пристального наблюдения за LHS-1140 b и другими экзопланетами в подборке Golden-J «глубокой разведкой обитаемости».

Возможно, самый важный вопрос, на который JWST должен и может ответить — это заголовок моей статьи: есть ли у каменистых планет умеренного пояса вокруг М-карликов атмосфера?, — пишет Дойон.

Для этого потребуется время. Дойон подсчитал, сколько времени потребуется для наблюдений JWST: «Комплексная разведка потребует минимум 700 часов, включая примерно 225 часов, посвящённых фотометрии затмений». Однако этих часов может оказаться недостаточно: «Введение более высокого порога обнаружения для программы разведки – как было опубликовано для наблюдений Trappist-1b и Trappist-c с помощью инструмента MIRI – значительно увеличит общее время наблюдений, потенциально варьирующееся от 1300 до 2000 часов».

Это может занять ещё больше времени, особенно если появятся многообещающие результаты, требующие дополнительных наблюдений. Может показаться, что это занимает много времени для небольшого количества экзопланет. Однако JWST был создан для поиска ответов, и если это требует столько времени, значит оно будет использовано с пользой.