Спектр далекой Земли
Что можно узнать о планете по ее излучению
Ученые лаборатории термодинамики и математического моделирования природных процессов Института геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского Российской академии наук (ГЕОХИ РАН) совместно с исследователем Джеймсом Чоу из Университета им. Луиса Брандейса в городе Уолтем (Массачусетс, США) изучили, как скорость вращения планеты вокруг своей оси влияет на ее спектр. Спектр — это характеристика, которая показывает, как планета излучает свет на разных длинах волн.
Фото: NASA
Фото: NASA
Исследователи пришли к выводу, что по спектру можно попытаться определить скорость вращения планеты, а также понять, есть ли в ее атмосфере озон. Результаты работы были опубликованы в журнале Solar System Research.
Сейчас вокруг других звезд уже найдены планеты, похожие на Землю. В этом исследовании ученые изучили спектры таких планет, но с разной продолжительностью суток. Они использовали климатическую модель, чтобы рассчитать, как ведет себя атмосфера таких планет в течение двух лет. Затем они вычислили спектры для Земли и для планеты, похожей на Землю, но которая вращается очень медленно — с периодом в 100 суток.
При расчетах спектров ученые анализировали излучение на высотах 1 км и 11 км в широком диапазоне волн. Они обнаружили у Земли и у медленно вращающейся планеты следующие общие черты. У обеих планет есть широкая полоса поглощения углекислого газа (CO2) — около 14 мкм. Спектры излучения в разных точках около экватора не сильно отличаются друг от друга (хотя на полюсах различия могут быть значительными). Если усреднить спектр по всей видимой поверхности планеты, то разница в сигнале при наблюдении с разных сторон (например, с севера или юга) становится меньше. Однако разница между спектрами быстро вращающейся Земли и медленно вращающейся планеты все равно остается заметной.
Было отмечено, что различия в спектрах планет с разной скоростью вращения похожи на те, которые возникают при наблюдении одной и той же планеты под разными углами. Поэтому изучать только спектр, чтобы определить продолжительность суток на планете, бесполезно, если неизвестно, под каким углом на нее смотрят.
Наибольшие отличия в спектрах похожих на Землю планет были обнаружены в диапазонах волн примерно от 5 до 10 мкм и от 13 до 16 мкм.
Также ученые выяснили, что, анализируя спектр в диапазоне около 9,4—10 мкм, можно определить, есть ли в атмосфере планеты озон. Если озона нет, то на графике излучения с высоты 11 км в этом диапазоне не будет характерного «провала». А в моделях с озоном этот провал четко виден. Поскольку озон важен для жизни, эта спектральная полоса (9,4—10 мкм) может быть очень важна для будущих наблюдений за планетами, похожими на Землю.
Исследование было проведено при финансовой поддержке Минобрнауки России.
Сергей Ипатов, ведущий научный сотрудник лаборатории термодинамики и математического моделирования природных процессов ГЕОХИ РАН, доктор физико-математических наук, ответил на вопросы «Ъ-Науки»:
— Какова была основная гипотеза исследования? Предполагали ли авторы изначально, что период осевого вращения планеты окажет значимое и детектируемое влияние на ее интегральный спектр?
— Авторы не исключали возможности того, что период осевого вращения планеты окажет значимое и детектируемое влияние на ее интегральный спектр, и планировали оценить это влияние. Основной целью статьи было изучение зависимости спектров Земли и медленно вращающейся экзоземли при длине волны от 1 до 18 мкм и от 0,3 до 1 мкм от углов наблюдения планет (относительно осей вращения планет). В статье изучались также карты распределения облаков и температуры для Земли и экзоземли.
— Почему для сравнения были выбраны именно периоды вращения в 1 и 100 земных суток? Какие физические процессы в атмосфере (например, перенос тепла, образование облаков) кардинально различаются у медленно и быстро вращающихся планет?
— Для сравнения спектров были выбраны сильно отличающиеся между собой периоды вращения в 1 и 100 земных суток, так как если различия в спектрах планет с такими периодами вращения не превышают зависимости спектров от углов наблюдения, то нет смысла рассматривать периоды внутри этого диапазона. Среди планет земной группы Земля имеет минимальный осевой период вращения, а период вращения Венеры равен 243 земным суткам.
В работе ученых приводятся карты облаков для Земли и для экзоземли с периодом осевого вращения, равным 100 суткам. В частности, отмечается, что облака стараются покинуть области с более быстрым вращением поверхности планеты. Поэтому около экватора у Земли меньше облаков, чем у медленно вращающейся экзоземли. Для медленно вращающейся экзоземли значения температуры Т были более однородными, чем для Земли. Например, область T > 290 K для экзоземли была меньше, чем для Земли, а область T < 230 K отсутствовала для экзоземли. Для Земли было несколько областей с T < 230 K. Основное отличие в T-картах для Земли и экзоземли было около Южного полюса.
— Главный вывод работы заключается в том, что по спектру нельзя однозначно определить период вращения. Почему этот «негативный» результат является важным научным знанием? Как он предотвращает потенциальные ошибки в интерпретации данных будущих телескопов?
— Этот сделанный вывод просто говорит о том, что по спектру планеты нельзя определить период вращения планеты, похожей на Землю, если угол наблюдения планеты (относительно оси ее вращения) неизвестен.
Различия в спектрах экзопланет, отличающихся от Земли только периодом осевого вращения, сравнимы с различиями, связанными с изменением угла наблюдения планеты (а иногда даже меньше этих различий). Гораздо более важным выводом статьи является другой результат этой статьи о том, что при наблюдениях земноподобных планет следует уделять особое внимание спектральным наблюдениям в полосе 9,4—10 мкм, благодаря которым можно сделать вывод о том, есть ли в атмосфере планеты озон, наличие которого может говорить о возможности жизни на этой планете.
— Как именно наличие или отсутствие озона в атмосфере проявляется в спектре излучения экзопланеты? Почему для его детектирования критически важен диапазон 9,4—10 мкм?
— Анализируя спектр с длиной волны около 9,4—10 мкм, мы можем определить, имеет атмосфера земноподобной экзопланеты озон или нет. Локальный минимум при длине волны 9,4—10 мкм отсутствует на графиках восходящего излучения на высоте 11 км при отсутствии озона, но этот минимум имеется на графиках для моделей с озоном.
— Авторы связывают озон с возможными признаками жизни. Какие другие, абиотические процессы могут привести к образованию озона в атмосфере землеподобной планеты? Насколько уверенно по одному лишь спектральному признаку в полосе 9,4—10 мкм можно делать вывод о биологической активности?
— Образование озона происходит в атмосфере, где молекулы кислорода под действием ультрафиолетового излучения диссоциируют, образуя озон. Поэтому наличие озона указывает на существование атмосферы богатой кислородом. Кислород образуется в природе, главным образом в процессе фотосинтеза растений, и кислород необходим для той жизни, которая существует на Земле. Наличие озона в атмосфере планеты может говорить о том, что на этой планете есть растения. Для жизни на планете также важно то, что озон задерживает ультрафиолетовое излучение Солнца (звезды).
— Какие технические требования к будущим космическим телескопам (например, таким как Habitable Worlds Observatory) вытекают из этого исследования? Какое спектральное разрешение и чувствительность необходимы для надежного детектирования полосы озона и анализа особенностей в диапазонах 5—10 мкм и 13—16 мкм?
— Для детектирования озона в атмосфере землеподобной планеты достаточно наблюдать ее спектр в полосе 9,4—10 мкм. О периоде осевого вращения такой планеты нельзя судить на основе спектральных наблюдений всей поверхности планеты при неизвестном угле наблюдения планеты. В статье отмечается, что «космический телескоп JWST (James Webb Space Telescope) позволяет вести наблюдения спектров атмосфер планет, подобных Земле, в инфракрасном диапазоне. Будущий наземный 39-метровый телескоп ELT (Extremely Large Telescope) также позволит изучать состав атмосфер внесолнечных планет. Планируется, что этот телескоп вступит в строй в 2030 году».