11.12.2025, Эван Гоф, Universe Today

В настоящее время идет поиск экзопланет земной группы в обитаемых зонах, и некоторые из наиболее перспективных кандидатов были обнаружены почти десять лет назад примерно в 40 световых годах от Земли. Система TRAPPIST-1 содержит семь планет земной группы, похожих на Землю, и четыре из них могут находиться в обитаемой зоне. Звезда — тусклый красный карлик, поэтому обитаемая зона находится близко к звезде, как и планеты. По этой причине астрономы ожидают, что они будут приливно заблокированы звездой.

Телескоп JWST был запущен для решения четырех основных научных задач, одна из которых — изучение планетных систем и происхождения жизни. Он может изучать атмосферы экзопланет с помощью инфракрасной транзитной спектроскопии, при которой свет от звезды проходит через атмосферу экзопланеты, когда она проходит перед звездой. JWST может обнаруживать молекулы в атмосфере этим методом.

Космический телескоп проделал это для множества целей, в том числе для планет в системе TRAPPIST-1. Но он сталкивается с серьезной проблемой: звездным загрязнением.

Новое исследование, которое б��дет опубликовано в журнале The Astronomical Journal, описывает наблюдения JWST планеты TRAPPIST-1e, примерно такого же размера, как Земля, которая стала одной из главных целей в науке об экзопланетах. Исследование посвящено методу удаления звездного загрязнения из наблюдений атмосфер экзопланет с помощью JWST. Статья называется «Программа JWST TRAPPIST-1e/b: мотивация и первые наблюдения» и в настоящее время доступна на arxiv.org. Ведущий автор — Натали Аллен, аспирантка кафедры физики и астрономии Университета Джонса Хопкинса.

«Одной из важнейших задач в области изучения экзопланет является обнаружение атмосферы на умеренной экзопланете земной группы, и одной из наиболее подходящих для этого систем является TRAPPIST-1, — пишут авторы в своем исследовании. — Однако наблюдения транзитов планет TRAPPIST-1 с помощью телескопа JWST показывают значительное влияние особенностей поверхности звезд, которые мы не можем с уверенностью смоделировать».

Чтобы убедиться, что телескоп JWST измеряет атмосферу экзопланеты, астрономам необходимо уметь удалять из сигнала свет звезды. Но звезды неоднородны, и это непросто. У них есть более холодные области, называемые звездными пятнами, и более горячие области, называемые факелами. Когда планета проходит перед звездой, она блокирует часть звезды, но не всю. Если планета блокирует звездное или солнечное пятно, это может создавать ложные сигналы, имитирующие присутствие определенных молекул в атмосфере планеты. Более того, краевые области звезды имеют другую температуру �� спектральные свойства, чем ее центр.

Это звездное загрязнение превращает всю задачу в сложную головоломку, и ситуация еще хуже для такого мощного телескопа, как JWST, поскольку слабые сигналы могут усиливаться. «Однако наблюдения в режиме пропускания оказалось сложнее интерпретировать, — пишут авторы. — Известно, что карликовые звезды типа M, как правило, магнитно активны, и существует множество свидетельств вращательной модуляции из-за вращающихся и выходящих из поля зрения областей на поверхности звезд». Более того, известно, что красные карлики, такие как TRAPPIST-1, имеют очень активные поверхности с большим количеством вспышек, что усугубляет проблему.

Телескоп JWST уже проводил спектрометрические исследования атмосфер экзопланет и сталкивался со звездным загрязнением. В 2023 году астрономы использовали его для изучения атмосферы каменистой экзопланеты GJ 486 b, суперземли, вращающейся вокруг красного карлика на расстоянии около 26 световых лет. Они обнаружили водяной пар, что стало важным открытием, но не были уверены, исходит ли сигнал водяного пара от атмосферы планеты или от самой звезды.

Астрономы уже исследовали еще одну планету из TRAPPIST-1 — планету b — с помощью телескопа JWST. Фактически, JWST наблюдал за системой TRAPPIST-1 более 400 часов, что ясно указывает на научную значимость этой системы. Планета b лишена атмосферы, поэтому ее сигналы можно использовать в качест��е базового уровня для моделирования звездного загрязнения и, можно надеяться, что удастся исключить его из наблюдений планеты e телескопом JWST.

«Здесь мы представляем обоснование и первые наблюдения нашей многоцикловой программы JWST для TRAPPIST-1e, в рамках которой используются близкие транзиты безвоздушной TRAPPIST-1b для независимой от модели коррекции звездного загрязнения с целью определения, имеет ли TRAPPIST-1e атмосферу подобную земной (по средней молекулярной массе), содержащую CO2», — поясняют авторы.

В статье представлены лишь первые наблюдения TRAPPIST-1e в рамках многоцикловой программы. Предыдущие наблюдения экзопланеты с помощью телескопа JWST выявили сильное звездное загрязнение. Авторы пытаются ответить на вопрос, сможет ли их моделирование безвоздушной среды TRAPPIST-1b помочь им отфильтровать звездное загрязнение на TRAPPIST-e. Результаты показывают, что это должно быть возможно, с некоторыми оговорками.

Эти первые наблюдения подчеркивают проблему звездного загрязнения.

«Наиболее очевидным и проблематичным дополнительным осложнением наших наблюдений является наличие вспышек, видимых при каждом наблюдении в H-альфа [специфическая спектральная линия водорода, имеющая красную окраску (656.28 нм)], различной интенсивности и частоты», — пишут они. Звездные пятна и активные области отчетливо видны в наблюдениях в H-альфа. Вся эта активность и наблюдения в H-альфа противоречат идее о том, что TRAPPIST-1 b можно использовать для понимания атмосферы TRAPPIST-1 e. «Эти вспышки нарушают основное предположение нашей методики наблюдения тесных транзитов о том, что поверхность звезды остается неизменной между транзитами планет e и b», — объясняют авторы.

Однако предложенная ими программа наблюдений должна позволить обойти это ограничение. Они предлагают наблюдать только 15 тесных транзитов. Тесные транзиты — это когда между транзитами TRAPPIST-1 b и TRAPPIST-1 e проходит менее восьми часов. Это примерно 10% от 3,3-дневного периода вращения звезды. «Это достаточно малая доля периода вращения, чтобы между наблюдениями не должно быть значительного изменения вращения поверхности звезды, но при этом достаточно гибкая, чтобы мы смогли обнаружить достаточное количество случаев тесных транзитов в ближайшем будущем», — объясняют исследователи.

Первые результаты этого исследования позволяют предположить, что предложенный ими метод близкого транзита будет эффективным.

«Мы показали, что смогли бы обнаружить атмосферу, подобную земной, с высокой степенью значимости благодаря предложенным и принятым нами 15 наблюдениям близких транзитов, — объясняют авторы. Но это зависит от одного конкретного молекулярного сигнала. — Наша способность обнаружить атмосферу в значительной степени зависит от наличия полосы поглощения CO2 на длине волны 4,3 мкм, которая, как предполагается, является распространенным результатом образования вторичной атмосферы», — пишут они. Вторичные атмосферы отличаются от первобытной атмосферы планеты тем, что они могут отражать биологическую активность.

Характерная полоса поглощения CO2 на длине волны 4,3 мкм имеет важное значение, поскольку это одна из самых сильных полос поглощения. Так как она относительно изолирована от других сигналов в спектре, её с меньшей вероятностью можно спутать со звёздным загрязнением.

В этом исследовании представлено возможное решение проблемы звездного загрязнения. Эта проблема не ограничивается TRAPPIST-1 или только красными карликами. Все звезды обладают поверхностной активностью, которую необходимо учитывать при изучении атмосферы.

«Проблема звездного загрязнения сохраняется далеко за пределами системы TRAPPIST-1 и является существенным осложняющим фактором в поисках атмосферы на каменистой экзопланете, для которой у нас в настоящее время нет убедительных доказательств», — заключают авторы.

Перевод: Александр Тарлаковский (блог tay-ceti)
Оригинал: The Solution To Finding An Atmosphere On TRAPPIST-1 e