атмосферы экзопланет JWST

Оркестр играет фортиссимо, а в третьем ряду кто-то шепчет. Услышать этот шёпот — задача, с которой астрономы столкнулись у звезды HR 8799: четыре яркие планеты-гиганта заглушают слабый свет возможной пятой, спрятавшейся совсем близко к звезде. Система HR 8799 — полигон для прямых наблюдений экзопланет.

Космический телескоп JWST навёл объектив на раскалённый каменный мир 55 Рака e — и увидел плотную газовую оболочку. А у более прохладной TRAPPIST-1 b, которая кружит у тусклого красного карлика, оболочки не оказалось: голая скала. Картина вышла перевёрнутой: горячие планеты держат атмосферу, холодные — теряют.

Две звезды — AF Lep A и ε Indi A — стали объектом пристального внимания астрономов. С помощью спектрографа GHOST на телескопе Gemini учёные разложили их свет на цвета и по линиям поглощения определили, сколько в атмосферах звёзд углерода, кислорода, серы и ещё тринадцати элементов.

В марте 2023 года космический телескоп Джеймс Уэбб навёл свои инструменты на короткопериодическую комету 81P/Вильда 2 — небесное тело с радиусом ядра около 1,77 км.

2,41 часа. Ровно столько длится день на SIMP 0136 — одиноком планетоподобном объекте в 6,1 парсеках от нас. Это вдвое дальше Проксимы Центавра. Его масса — от 12,7 до 17,8 масс Юпитера, он на границе между планетой и звездой. Космический телескоп Джеймса Уэбба смотрел на него 1,2 оборота, снимая спектры каждые несколько минут.

Край прожектора. Стоит убрать ослепительный свет центрального светила, и проступает театр теней. Коронограф «Джеймса Вебба», словно плотный занавес, скрыл звезду TW Гидры — и на сцене длиной в 120 астрономических единиц (вчетверо больше пути до Нептуна) заиграл её протопланетный диск.

Вода бывает разной. Не только пресной или солёной, но и «тяжёлой» — если в её молекуле вместо обычного водорода сидит дейтерий, его более массивный собрат. Такую воду называют HDO, и она — настоящий космический паспорт: по тому, сколько дейтерия в воде, можно понять, где и когда эта вода родилась.

Среди раскаленных экзопланет, что кружатся в опасной близости от своих звезд, скрывается тайна рождения. Почти три десятилетия назад Мишель Майор и Дидье Кело открыли первый такой мир, и с тех пор астрономов мучает вопрос: как газовый гигант оказывается притиснутым к самому лику звезды?

Когда телескоп JWST разлагает свет далёкой экзопланеты в спектр, он читает химическую летопись. Но эта летопись — не монолитная истина, а атмосфера, постоянно переписываемая излучением звезды.

Свет далёкой звезды несёт в себе беззвучный гул атмосфер обращающихся вокруг неё планет. Уловить его долгое время было всё равно что разобрать шёпот в ревущем водопаде. Но с появлением 39-метрового Чрезвычайно Большого Телескопа (ELT) и спектрографа ANDES с разрешением 100 000 эта задача перестаёт быть безнадёжной.

Когда звезда умирает, она превращается в белого карлика — плотный шар из углерода и кислорода размером с Землю. Предсказанные Субраманьяном Чандрасекаром, эти объекты долго считались безжизненными кладбищами.

Телескоп Джеймс Уэбб заглянул в странный двойной мир. В нём мёртвая звезда — белый карлик — медленно поджаривает своего компаньона, коричневого карлика. Объект с названием ZTFJ0038+2030 делает полный оборот всего за несколько часов. Одна сторона коричневого карлика всегда обращена к белому, как Луна к Земле.

В сотнях световых лет от нас есть планета, которая выглядит как гигантское зеркало. LTT9779b отражает большую часть падающего на неё света — гораздо больше, чем можно было ожидать от тела размером с Нептун. Астрономы долго спорили, что делает её такой блестящей: плотная металлическая дымка или слой облаков. Телескоп Джеймс Уэбб помог разобраться.

В 158 световых годах от нас, вокруг тусклой звезды красного карлика TOI-6894, неторопливо движется планета. Её год длится меньше двух земных суток, но сама она — прохладный мир с равновесной температурой около 420 К, чуть теплее сауны. Этот экзопланетный гигант, TOI-6894 b, почти в точности повторяет размер Сатурна, хотя весит заметно легче.

Мир, где год длится всего полтора земных дня, а звезда на небе в сотни раз больше нашего Солнца. Это KELT-9 b — газовый гигант, разогретый до температур, при которых железо испаряется. Его атмосфера не просто нагрета, она буквально кипит и улетает в космос, словно пар над гигантским котлом.

Планета WASP-121 b — это не просто горячий шар. Это мир, где железо испаряется, а небо светится собственным жаром. Новый взгляд на неё помог понять, из каких «продуктов» она собралась.

Экзопланета WASP-121 b — газовый гигант, раскалённый до 2500°C — находится в приливном захвате: подобно глобусу, застывшему под лампой, она всегда обращена к своей звезде одной стороной.

Планета скользит по диску звезды — и на миг становится фонариком. Она закрывает крошечный участок поверхности, позволяя разглядеть детали, которые иначе ускользают от взгляда. Именно так астрономы заглянули вглубь тёмных пятен на звезде V1298 Тельца — молодом двойнике нашего Солнца. Им помог космический телескоп Джеймс Уэбб и три планеты-гиганта на орбите.

Атмосфера Титана, открытого Христианом Гюйгенсом, представляет собой плотную дымку, непрозрачную для обычных телескопов.

Пожарный шланг бьёт в сугроб. Вода не просто расталкивает снег — в месте удара рождаются брызги, пар и грохот. Примерно так же ведут себя джеты — узкие струи вещества, вылетающие из окрестностей чёрной дыры на огромной скорости. Когда такая струя врезается в облако межзвёздного газа, она не протыкает его насквозь, а создаёт ударную волну, сжимает газ и заставляет его светиться.

Красные карлики — неутомимые кузнецы планетных судеб. Их излучение, словно молот, выбивает газовые оболочки, оставляя лишь нагие каменные ядра. В недрах созвездия Геркулеса, вокруг тусклого М-карлика GJ 3929, обращается мир размером с полторы Земли — словно заготовка на наковальне.

Астрономы, используя космический телескоп JWST (James Webb Space Telescope), впервые детально исследовали атмосферу молодой экзопланеты V1298 Tau c. Эта суперземля — планета с массой большей, чем у Земли, но уступающая газовым гигантам — насчитывает всего 23 миллиона лет от роду.

Детский сад, где одни малыши лепят куличики из песка, а другие уже собирают конструктор. Примерно так выглядит система звезды V1298 Tau: ей всего 20 миллионов лет — по космическим меркам, она только вышла из яслей. Вокруг неё кружатся несколько планет, и две из них, b и e, оказались удивительно разными.

Когда планета заходит за край своей звезды, светило подсвечивает её атмосферу — точь-в-точь как закатное солнце высвечивает облака над горизонтом. Этот краткий миг, длящийся считаные минуты, несёт в себе отпечаток газов, через которые прошёл звёздный свет.

Кастрюля с кипящей лавой, накрытая плотной крышкой из газа. Примерно так устроены субнептуны — планеты, которых много в других звёздных системах, но нет в нашей. Под толстой водородной атмосферой там плещется раскалённый магматический океан.

В ледяном поясе за орбитой Нептуна астрономы зафиксировали редкое событие: объект (612533) 2002 XV93 на мгновение заслонил далёкую звезду. Это явление, известное как покрытие, лежит в основе метода прохождений — когда небесное тело, подобно мухе перед лампой, на секунду приглушает свет звезды.

Пар над кипящей кастрюлей слегка окрашивает свет фонарика: одни цвета задерживает, другие пропускает. Примерно так изучают воздух далёких планет. Когда планета проходит перед своей звездой, крохотная часть звёздного света пронзает её атмосферу, и молекулы оставляют в спектре тёмные полосы — свои «отпечатки пальцев».

Свет далёкой звезды просачивается сквозь газовую оболочку планеты — и астрономы пытаются угадать, из чего эта оболочка состоит. Так изучают атмосферы миров, которые невозможно потрогать. Когда планета проходит перед диском своего солнца, её газовая вуаль ненадолго перехватывает часть лучей. В этом свете, словно крошечные тени, остаются отпечатки атомов и молекул — у каждого свой уникальный узор.

Планета WASP-121 b всегда повёрнута к своей звезде одним боком, как камень в костре. Дневная сторона раскалена до того, что привычный водород — тот самый, из которого состоит большая часть Вселенной — не выдерживает: его молекулы разрываются на отдельные атомы, а температура скачет вверх ногами: чем выше, тем горячее.

Астрономы навели JWST (космический телескоп Джеймса Уэбба) на каменную экзопланету (планету за пределами Солнечной системы) LHS 3844 b — мир у чужой звезды, где год длится всего 11 часов. Планета всегда повёрнута одним боком к звезде: на дневной стороне стоит вечная жара 770°C, а ночная погружена в ледяной мрак.

Гигантская планета висит в космосе в полном одиночестве, удалившись от своей звезды на расстояние, в 160 раз превышающее путь от Солнца до Плутона. Свет родительской звезды доходит до неё таким слабым, что температура на поверхности едва превышает 200 градусов Цельсия — примерно как в хорошо протопленной сауне.

Солнечный ветер — поток заряженных частиц от Солнца — врезается в разреженный газ, заполняющий пространство между звёздами. При столкновении рождается слабое рентгеновское свечение. Для астрономов это как туман перед фарами: он мешает разглядеть далёкие объекты.

Запах свежего хлеба безошибочно указывает на близость пекарни. Но чтобы понять, происходит ли выпечка в данный момент, важнее уловить не сам аромат, а его усиление — непрерывный поток горячего воздуха из духовки. Эта бытовая аналогия помогает осмыслить революцию в поиске внеземной жизни на экзопланетах — планетах за пределами Солнечной системы.

Мир, который годами отказывался показывать своё лицо. Планета GJ 1214 b — как раз такой случай. Она больше Земли, но меньше Нептуна, и её плотная оболочка делала атмосферу невидимой для телескопов: свет звезды проходил сквозь неё, не оставляя чётких следов. Но упрямство астрономов и новый чувствительный прибор дали первую зацепку.

Раскалённая сковорода на кухне светится в темноте, но если накрыть её крышкой, жар уходит медленнее и поверхность кажется не такой яркой. Примерно так устроена планета HD 3167 b: она всегда повёрнута одной стороной к своей звезде, и дневная сторона раскалена до температуры, при которой плавятся камни.

Свет далёкой звезды не бывает ровным. Он дрожит, как воздух над горячим асфальтом. Когда астрономы навели Джеймса Уэбба на звезду TOI 700, они увидели эту дрожь особенно ясно: каждые 16 минут яркость менялась на крошечную долю — всего 46 миллионных.Для сравнения: если поставить лампочку в километре от вас, такое изменение — как будто на её стекло села пылинка. Эта рябь — не…

Когда экзопланета — планета вне Солнечной системы — на краткий миг заслоняет диск своей звезды, звёздный свет пронизывает её атмосферу и впитывает её химический «вкус». Этот приём — транзитный метод: регистрация мельчайших провалов в блеске звезды при прохождении планеты по её диску — лежит в основе работы космической обсерватории Джеймс Уэбб.

Свет далёкой звезды, проходя сквозь атмосферу планеты K2-18b, оставил в спектре необычные «отпечатки пальцев». Астрономы 420 часов собирали этот свет с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба и разложили его на цвета, как радугу. В получившейся картине они увидели линии, которые не спутаешь ни с чем: так выглядят молекулы, знакомые каждому, кто слышал о конопле.

Когда планета проходит перед диском своей звезды, звёздный свет пронизывает её атмосферу и частично поглощается — каждый газ оставляет в спектре характерный цветовой отпечаток, словно горьковатый или сладкий штрих в сложном блюде. Учёные пытаются расшифровать этот рецепт: какие химические вещества и в каких пропорциях смешаны в воздухе чужого мира.

Семь часов — столько длится год на планете TOI-4552b. Она мчится вокруг своей звезды быстрее, чем иной спутник вокруг Земли. Звезда — тусклый красный карлик, вчетверо меньше Солнца, но планета прижата к нему так близко, что получает в сотни раз больше тепла, чем мы.