Ветрено, дождливо, с видом на Землю

На экзопланете HR8799b найдены облака из воды, метана и угарного газа. А еще там есть ветры и должны идти дожди.

Есть несколько критериев того, что научно-популярная тема становится «горячей»: она должна быть сравнительно новой, чтобы один человек еще мог вместить всю сумму знаний; она должна быть красивой, поначалу сбивающей с толку, но в то же время достаточно простой для объяснения. И, наконец, у теоретических работ должен быть явный, понятный обывателю, практический «выхлоп» — фактически, он читает статью, чтобы понять, как его жизнь станет лучше от этого конкретного открытия.

Среди таких тем есть графен с понятной перспективой получить новые сверхматериалы; органические полупроводники, гибкие компьютеры, экраны и мобильные телефоны; кубиты и — потенциально — домашний суперкомпьютер, 3D печать. В астрофизике тоже есть одна область, которая начала развиваться всего около двадцати лет назад, приносит множество удивительных открытий и даже у очень практического человека не вызывает вопроса «а зачем это все, собственно, нужно?». Речь, конечно, об экзопланетах. Потому что всем интересно узнать — что происходит на планетах, вращающихся вокруг других звезд, есть ли там жидкая вода, кислород и, может, нам есть кому махать рукой в ночное небо?

Прежде всего, надо признать поразительную скорость развития этой области — первая экзопланета была открыта в 1991-м (есть разночтения по тому, что считать обнаружением, но обычно принимают этот год) и в течение десяти лет открытие каждой планеты было событием. А потом покатился ком — открывались целые системы экзопланет, массы и орбиты определялись со все возрастающей точностью и стало возможным прикидывать примерный состав планет. Появилась классификация: «горячий Юпитер», «сверхземля» и так далее. Огромная заслуга , конечно, принадлежит космическому телескопу «Кеплер» (2700 кандидатов в экзопланеты уже обнаружены и работа с данными продолжается!), однако он вышел из строя в середине 2013-го года и сейчас основные надежды, связаны с недавно запущенным в космос телескопом «Гайя», который использует новую технику непрерывного сканирования неба за счет вращения вокруг своей оси.

Но сейчас простое обнаружение планет и определение их первичных параметров (масса, орбита, размер) — уже не передний край науки. Сейчас мы будем говорить об облаках на планете в 127 световых годах от нас. И не просто облаках — в статье Трэвиса Бермана, принятой к публикации в Astrophysical Journal, применяются уже разработанные модели движения облаков и круговорота газа в экзопланетных атмосферах.

Данные спектрографа OSIRIS, установленного на телескопе Кека на Гавайях, однозначно указывают на то, что в атмосфере планеты HR8799b (первой по счету из четырех планет, открытых у звезды HR8799) присутствует вода, метан и монооксид углерода (угарный газ). Линии поглощения, соответствующие переходам электронов между различными энергетическими уровнями, были обнаружены в свете звезды, прошедшем через атмосферу планеты.

Надо сразу сказать, что такой химический состав сам по себе, конечно, не говорит о наличие жизни на этих планетах. Мало того, что HR8799b — это газовый шар в семь раз тяжелее Юпитера, так еще и подобные молекулы (а также CO₂, NH₃ и N₂ и множество других, иногда намного более сложных по составу) обнаружены на всех планетах-гигантах Солнечной системы. На Юпитере, Сатурне, Уране и Плутоне присутствуют пары этих молекул и достоверно известно, что они вполне себе образуются химическим путем без помощи каких-то живых организмов.

Но их обнаружение важно по другим причинам — сравнивая молярные доли воды, метана и монооксида углерода, ученые сделали попытку установить общее соотношение количества атомов углерода и кислорода (обычно записывается как «C/O»). Это очень важный параметр для понимания процессов формирования планетных систем. Соотношение С/О для звезды HR8799 установлено очень точно. Если для ее экзопланет оно будет таким же, значит и звезда и все планеты сформировались в результате однородного симметрического гравитационного притяжение пыли и газа. Если же соотношение будет отличным от звездного (а еще лучше — немного разным для разных планет), значит вся система сформировалась в результате постепенной аккреции вещества из внешних областей в сторону центра. В этом случае более тяжелые элементы скорее окажутся в центре аккреционного диска, в то время как легкие будут продолжать вращаться во внешнем диске.

Планетная система HB8799 наблюдается в течение нескольких лет и первый спектр экзопланеты, когда-либо полученный учеными — это планета HB8799c, соседка той, о которой рассказывается в статье. Сейчас у астрофизиков есть спектры всех четырех планет и самой звезды, так что можно делать предварительные выводы: похоже, что именно второй сценарий имел место в системе HR8799 около 60 миллионов лет назад, когда она формировалась — уровень С/О (то есть отношение количества более легкого углерода к более тяжелому кислороду) у планет оказалось чуть выше, чем у звезды, а значит, они должны были формироваться в разное время. До сих пор такие подробности были известны только для нашей Солнечной системы.

И пару слов о метане. Обнаружение его — большая удача. Метан не очень стабилен: в верхних слоях атмосферы его разрушает солнечная радиация, в нижних он довольно быстро окисляется. Если он обнаруживается (а пока мы видим только то, что находится в верхних слоях атмосферы экзопланет), значит, во-первых, на планете есть условия образования метана, а во-вторых, можно что-то узнать про динамику атмосферы — как перемешиваются ли различные слои, дать ограничения на скорость ветров, прикинуть толщину атмосферы.

Cуществующие технологии не дадут более ясную картину происходящего на планете HR8799b. Даже планируемый на 2018 год запуск нового телескопа Джеймса Уэбба, на которое рассчитывает уже не первое поколение астрофизиков, вряд ли снимет все вопросы. Скорее всего новую информацию об этой системе мы будем получать, применяя новые, более точные модели к уже существующим данным. Следующий прорыв в наблюдениях экзопланет стоит ждать после запусков космических телескопов CHEOPS, TESS, PLATO, планируемых на третье десятилетие века.

Марат Мусин