Астрономы впервые увидели воду в атмосфере планеты, похожей на Землю

Две независимые группы астрономов из США, Канады и Великобритании получили первые прямые доказательства существования воды в атмосфере экзопланеты земного типа. Эта экзопланета K2-18 b в 110 световых годах от Земли была открыта телескопом Кеплер в 2015 году, однако о составе ее атмосферы на тот момент не было известно.

Как сообщает Медуза, до сих пор наличие воды на далеких планетах было либо выводом из сложного моделирования, либо относилось к совсем не похожим на Землю небесным телам — газовым гигантам. Экзопланеты — то есть планеты за пределами Солнечной системы — можно обнаружить с помощью трех основных методов наблюдения: транзитного, спектроскопического и метода микролинзирования. Однако все три техники плохо приспособлены для изучения маленьких и относительно далеких от своей звезды планет вроде Земли.

Например, транзитный метод, с помощью которого в 2015 году была открыта K2-18 b (да и вообще большая часть известных на сегодня экзопланет), преполагает наблюдение за тем, как темное тело проходит по диску звезды, в результате чего ее блеск временно снижается. Помимо того, что наблюдателю должно повезти оказаться под нужным углом к орбите планеты (иначе транзит просто не удастся увидеть), ему еще и нужно очень тщательно проанализировать падение яркости. Ведь чем экзопланета меньше, тем меньшую тень она дает, и тем труднее наблюдателю отделить вызванное ей снижение блеска звезды от случайного шума.

Избавиться от шума можно только если наблюдать подобные транзиты многократно, но и здесь с самыми интересными типами планет возникают трудности: за имеющееся в распоряжении астрономов время можно увидеть достаточное количество транзитов только тогда, когда тело находится на очень небольшой орбите, а значит поглощает много энергии — нагревается так сильно, что не способно сохранить в своей атмосфере воду.

До сих пор все данные о наличии воды в составе атмосферы землеподобных экзопланет (а также немного больших ее по массе — суперземель) основывались на моделировании. Зная по астрономическим каталогам тип и светимость звезды, для каждой звездной системы можно обозначить условную зону обитаемости — диапазон орбит, в котором на поверхности потенциальной экзопланеты возможно существование воды в жидкой форме. Если дополнить эту информацию данными о глубине и частоте падения блеска при транзите, можно вычислить орбиту, массу, диаметр и примерную плотность тела, что даст представление о соотношении на экзопланете газа и твердого вещества. В результате, если объект по всем имещимся данным относится к небольшим каменным телам в зоне обитаемости, то можно обоснованно говорить об обнаружении экзопланеты с возможным наличием на поверхности жидкой воды. Ведь сама по себе вода редким веществом не является, сложнее найти сочетание условий, в которых она может сохраниться на планете.

Подобное моделирование до сих пор было единственным способом что-то сказать об атмосфере далеких планет, хотя теоретически существует и гораздо более прямой и информативный способ их изучения — это анализ спектра света звезды при транзите. Когда свет звезды проходит по диску экзопланеты и проникает в атмосферу, он частично поглощается содержащимися в ней веществами и меняет свои характеристики. Пары воды, например, хорошо поглощают свет в инфракрасной области, на длине волны около полутора микрометров, и обнаружение ямки поглощения во время транзита по сравнению с обычным светом звезды стало бы четким и однозначным доказательством наличия на этой экзопланете воды.

Сложность в том, что для маленьких экзопланет типа Земли даже сам факт падения яркости при транзите сегодня приходится искать на пределе чувствительности приборов. Поэтому обнаружить в транзитном свете еще и микроскопическое изменение спектра в результате прохождения тонкой «корочки» атмосферы до недавнего времени считалось невозможным.

K2-18 довольно тусклая и небольшая звезда, поэтому во-первых, исследуемая планета занимает значительную площадь на диске звезды (что улучшает отношение сигнала к шуму), а во-вторых, несмотря на то, что экзопланета находится в зоне обитаемости, она имеет очень короткий годовой период обращения вокруг звезды, который составляет всего 33 дня. Всего за три года работы ученым удалось записать восемь отдельных транзитов, анализ которых и позволил найти спектроскопические «следы» воды.

В итоге, изучив полученный спектр, обе группы однозначно пришли к выводу о том, что в атмосфере K2-18b действительно присутствуют пары воды — вероятность случайного получения такого же результата не превышает тысячных долей процента.

Само по себе это не говорит о том, что K2-18b является «двойником Земли» или о том, что условия на ней достаточны для поддержания жизни. Все таки красные карлики, к которым относится K2-18, известны своим неспокойным характером и мощными вспышками звездного ветра. Результат скорее иллюстрирует то, что при должном умении даже из данных таких старых телескопов таких как «Хаббл» можно выделить информацию о составе атмосферы планет, которые расположенны в сотнях световых лет от нас.