Большинство открытых нами экзопланет обнаружены благодаря транзитному методу. Когда экзопланета проходит мимо своей звезды, уменьшение яркости звёздного света сообщает астрономам о наличии планеты. Анализируя свет, можно узнать о размере планеты и свойствах её атмосферы. Однако поверхность звезды не всегда равномерно прогрета. На ней могут быть как более горячие и яркие участки, так и более холодные и тусклые, которые меняются с течением времени.

Новое исследование утверждает, что такие «темпераментные» звёзды искажают наше представление об экзопланетах.

Число подтверждённых экзопланет приближается к 6000. Астрономы хотят лучше понять эти планеты во всём их обескураживающем разнообразии. Единственный способ сделать это — изучить свет и его изменения в мельчайших деталях. Когда экзопланета проходит перед звездой-хозяином, астрономы могут «прочитать» свет звезды, проходящий через атмосферу планеты.

Однако новое исследование показывает, что звёзды, вокруг которых вращаются эти планеты, могут искажать световой сигнал, давая нам неверное представление о размерах, температурах и атмосферах планет.

Исследование называется «Анализ популяции 20 экзопланет, наблюдаемых с помощью космического телескопа „Хаббл“ в оптическом и ближнем инфракрасном диапазонах длин волн: свидетельства широкомасштабного загрязнения сигнала», и оно опубликовано в журнале Astrophysical Journal Supplement Series. Ведущий автор — Арианна Саба с факультета физики и астрономии Университетского колледжа Лондона.

Поверхность звезды во многом определяется её температурой, на которую влияют мощные магнитные поля звезды. Магнитные поля могут препятствовать потоку тепла из недр звезды к её поверхности, создавая более холодную и тусклую область. И наоборот, они могут направлять больше тепла в другие области, создавая более яркие регионы.

«Некоторые звёзды можно назвать „пёстрыми“ — на их поверхности больше холодных областей, которые темнее, и горячих, которые ярче. Это связано с более сильной магнитной активностью», — говорит соавтор исследования Александра Томпсон.

«Более горячие и яркие области (факелы) излучают больше света, поэтому, например, если планета проходит перед самой горячей частью звезды, это может привести к тому, что исследователи переоценят размеры планеты, поскольку будет казаться, что она блокирует больше света звезды, или они могут сделать вывод, что планета горячее, чем она есть, или имеет более плотную атмосферу», — пояснила Томпсон. Обратное верно, если планета проходит перед холодным звёздным пятном, в результате чего планета кажется «меньше».

Эти темпераментные звёзды также могут давать ложные срабатывания.

«С другой стороны, уменьшение количества излучаемого света от звёздного пятна может даже имитировать эффект прохождения планеты перед звездой, заставляя вас думать, что там может быть планета, хотя её там нет. Вот почему последующие наблюдения так важны для подтверждения обнаружения экзопланет», — говорит Томпсон.

Вопрос в том, насколько наше представление об экзопланетах искажено этими неравномерными звёздами? Не создаёт ли звёздное загрязнение погрешности в нашем понимании популяции экзопланет?

Чтобы выяснить это, Саба и её коллеги изучили архивные данные об атмосферах 20 экзопланет, которые ранее наблюдались с помощью спектрографа STIS и широкоугольной камеры 3 (WFC3) космического телескопа «Хаббл». Эти приборы-«рабочие лошадки» «видят» в ультрафиолетовом, инфракрасном и видимом свете. Они хотели узнать, дают ли наблюдения, сделанные с помощью одних и тех же приборов в разное время, разные результаты и ограничиваются ли эти различия наблюдениями в определённых диапазонах длин волн.

«Чтобы получить спектральную информацию от ближнего ультрафиолетового до ближнего инфракрасного диапазона, мы повторно проанализировали 16 архивных наборов данных WFC3 и более 50 наборов данных STIS с помощью специального конвейера HST, — пишут авторы в своей статье. — В нашей целевой выборке мы наблюдаем значительные расхождения между несколькими наблюдениями, проведёнными с одной и той же решёткой STIS в разные эпохи, в то время как мы не обнаружили различий в наборах данных WFC3».

Это говорит о том, что звёздное загрязнение является проблемой, но исследователи копнули глубже, чтобы понять, насколько сильной. Используя инструменты Байеса и другие аналитические модели, они обнаружили, что звёздная активность в той или иной степени исказила около половины атмосфер экзопланет в их выборке. Шесть экзопланет имели ярко выраженное искажение, а шесть других – в меньшей степени.

«Эти результаты оказались неожиданными — мы обнаружили большее искажение наших данных звёздами, чем ожидали, — говорит ведущий автор работы Саба. — Нам важно это знать. Уточнив наше понимание того, как изменчивость звёзд может повлиять на наши интерпретации экзопланет, мы сможем улучшить наши модели и более разумно использовать гораздо большие массивы данных, которые будут получены в результате работы таких миссий, как „Джеймс Уэбб“, „Ариэль“ и „Твинкл“». «Твинкл» — это недорогая миссия, которая будет изучать атмосферы экзопланет с низкой околоземной орбиты.

Звёздное «загрязнение» при наблюдениях экзопланет — дело немаловажное. Оно может сильно исказить результаты. «Учёт звёздной активности может существенно изменить параметры планетарной атмосферы, такие как молекулярное изобилие (до 6 порядков) и температура (до 145%), в отличие от результатов анализов, в которых активность не учитывается», — пишут авторы в своей работе.

По мнению исследователей, есть два способа определить, влияет ли звёздная переменность на данные об экзопланетах.

«Один из них — посмотреть на общую форму спектра, то есть на картину света с разными длинами волн, прошедшего через планету от звезды, чтобы понять, можно ли объяснить это только наличием планеты или необходима звёздная активность, — говорит Саба. — Другой вариант — иметь два наблюдения одной и той же планеты в оптической области спектра, сделанные в разное время. Если эти наблюдения сильно отличаются, то вероятное объяснение — переменная звёздная активность».

Один из ключевых выводов касается оптических и ультрафиолетовых наблюдений. Поскольку звёздная активность гораздо более заметна в оптическом и ультрафиолетовом диапазонах, наблюдения экзопланет, основанные на этих длинах волн, с большей вероятностью выявят загрязнение. И наоборот, ИК-наблюдения могут не заметить загрязнения.

«Наши результаты подчёркивают важность учёта влияния звёздного загрязнения при изучении транзитов экзопланет; эта проблема особенно актуальна для наборов данных, полученных с помощью установок, не охватывающих оптический и/или ультрафиолетовый спектральный диапазон, где активность, как ожидается, будет более значительной, но и более легко обнаруживаемой», — говорится в статье.

«Риск неправильной интерпретации можно устранить, если правильно выбрать длину волны, — говорит Томпсон. — Особенно полезны оптические наблюдения на коротких длинах волн, такие как те, что использовались в данном исследовании, поскольку именно в этом случае эффект звёздного загрязнения наиболее очевиден».

Этот вопрос явно нуждается в дополнительном изучении, и исследователи говорят, что они определили звёзды, которые нуждаются в дополнительном наблюдении. Они также объясняют, что следует пересмотреть предыдущие исследования атмосферы экзопланет, особенно те, в которых не было широкого оптического или ультрафиолетового покрытия. Кроме того, будущие исследования атмосферы экзопланет должны быть многоволновыми.

По мнению авторов, активные звёзды, выявленные в ходе этого исследования, также необходимо изучать более тщательно. Это позволит астрономам лучше понять, как они влияют на наблюдения за атмосферами экзопланет. Также необходимы более совершённые модели и аналитические инструменты.

Мы всё ещё находимся в самом начале изучения атмосфер экзопланет, так что эти результаты нельзя назвать удивительными. «Уэбб» уже исследует некоторые атмосферы экзопланет, и будущие миссии, такие как ARIEL (Atmospheric Remote-Sensing Infrared Exoplanet Large survey) ЕКА, будут делать то же самое. ARIEL проведёт первое крупномасштабное исследование химического состава атмосфер экзопланет, что подчёркивает важность этих результатов.

«Наши результаты свидетельствуют о значительной роли звёзд в искажении данных во всех наблюдениях спектров экзопланет, — пишут авторы в своём заключении. — Поэтому понимание, моделирование и коррекция влияния звёздной активности важны для полной характеристики атмосфер экзопланет».