Как взвесить экзопланету спектроскопом?

Учёные из Массачусетского института технологий предложили новый метод измерения массы планет в далёких звёздных системах. Метод основан на спектральном анализе света звезды, приходящего через атмосферу заслоняющей её от нас планеты. Помимо массы он позволяет определить и ряд других важных характеристик: состав атмосферы, её температуру, давление и толщину.

Спектральный анализ атмосферы экзопланеты в представлении художника.
Спектральный анализ атмосферы экзопланеты в представлении художника.

Сейчас, когда подтверждено обнаружение более 900 планет вне Солнечной системы (а в каталоге сайта exoplanet.eu их 1056, хотя онлайн-база данных НАСА содержит только 976 записей), и ещё более 2300 находятся в статусе кандидатов, на первые роли выходит задача определения параметров экзопланет, в первую очередь размеров, массы и расстояния до родительской звезды.

Массу экзопланет обычно определяют методом радиальных скоростей — по колебаниям звезды, вызванным движением планеты по орбите. Этот метод, однако, позволяет определить только минимальную границу возможной массы. Кроме того, он не работает для землеподобных экзопланет — исследуемая планета должна быть или значительно массивнее, или ближе к звезде.

Утрированная иллюстрация колебаний звезды, вызванных наличием вращающейся планеты.
Утрированная иллюстрация колебаний звезды, вызванных наличием вращающейся планеты.

Другие методы определения массы экзопланет также имеют серьёзные ограничения, поэтому астрофизики активно ищут новые способы «взвешивания». Один из таких перспективных методов и был предложен в недавно опубликованной в Science статье.

Предлагаемый метод, получивший от авторов название MassSpec, основан на наблюдении за спектральными компонентами света, приходящего от звёзд с так называемыми транзитными экзопланетами, то есть планетами, проходящими в процессе своего обращения вокруг звезды между нею и Землёй.

©
Транзитная планета, проходя между нами и звездой (анимация сверху) уменьшает видимую яркость звезды (кривая снизу).

Известно, что многие планеты должны иметь атмосферу, состоящую из различных газов — кислород, азот, метан, углекислый газ, водяные пары. В отличие от самой планеты атмосфера не заслоняет от нас свет звезды, но может его поглощать. Причём величина поглощения зависит от состава атмосферы, её толщины, а также частоты проходящих волн.

Схематическое изображение зависимости глубины затемнения от длины волны.
Схематическое изображение зависимости глубины затемнения от длины волны.

В своей работе учёные показали, что измеряя величину затемнения на различных длинах волн, можно однозначно определить все характеристики атмосферы. А зная их, уже несложно вычислить и массу планеты.

Новый метод пока что был испытан только на искусственно созданных данных, и показал неплохие результаты: точность определения массы планеты с атмосферой, состоящей преимущественно из водорода — 2%, из воды — 10%, из азота — 15%. Ожидается, что на реальных наблюдениях метод будет проверен с появлением данных от телескопа Джеймса Уэбба, запуск которого запланирован на 2018 год.

comments powered by Disqus