Новая технология позволит определить массу экзопланет

На сегодняшний день учёные объявили о существовании 1000 экзопланет, вращающихся вокруг своих звёзд за пределами нашей Солнечной системы. Чтобы определить, может ли какая-либо из этих планет быть обитаемой, требуются данные о массе, которые помогают понять, из чего состоит планета: газа, камней или других обеспечивающих жизнь материалов.

Однако нынешние методы оценки массы экзопланет весьма ограничены. Основной метод, используемый учёными, − это вычисление радиальной скорости. Масса планеты определяется в отношении к массе звезды, исходя из данных о едва заметных раскачиваниях орбиты звезды, создаваемых гравитационной силой планеты. Метод радиальной скорости хорошо работает для небольших планет, подобных по размеру Нептуну и вращающихся близко к ярким звёздам. Но, когда дело доходит до планет ещё меньшего размера, вращающихся гораздо дальше от своих звёзд (например, на том же расстоянии, что и Земля), такая техника менее успешна.

Теперь же учёные из Массачусетского технологического института разработали новую методику определения массы экзопланет, которая использует лишь транзитный сигнал, появляющийся при прохождении планеты по лику своей звезды. Традиционно эти данные используются для определения размера планеты и свойств её атмосферы, но команда из MIT нашла способ интерпретировать их таким образом, чтобы стала ясна и масса.

"С помощью этого метода мы смогли вычислить планетарную массу – ключевой параметр, без которого невозможно оценить потенциальную обитаемость планеты", – говорит Жюльен де Вит (Julien de Wit), аспирант кафедры планетарных наук. – В дополнение к составу планеты, масса может обеспечить нас некоторыми сведениями о её поверхности и процессах, происходящих внутри. На массу влияет множество факторов: например, тектоника плит, внутреннее охлаждение и конвекция, генерация магнитных полей, газ в атмосфере. Если вам не удастся вычислить массу, большая часть свойств планеты останется для вас неизвестной".

С помощью больших телескопов, таких как Spitzer или Hubble, учёные могут анализировать трансмиссионый спектр открытых экзопланет. Трансмиссионный спектр генерируется, когда планета проходит по лику своей звезды, пропуская некое количество света "родителя" через свою атмосферу. Анализируя длину волн излучения, учёные могут определить свойства атмосферы планеты (температуру и плотность), а из общего количество света могут рассчитать размер планеты.

Чтобы определить массу экзопланеты с помощью спектроскопии, де Вит полагался на то, что масса планеты влияет на её атмосферу, а трансмиссионный спектр предоставляет информацию о свойствах этой атмосферы. В основе его работы было стандартное уравнение, описывающее влияние температуры планеты, силы притяжения и плотности атмосферы на её атмосферное давление. Согласно этому уравнению, зная любые три параметра можно вычислить и четвёртый. Учитывая, что массу планеты можно вычислить из её гравитационного притяжения, де Вит рассудил, что массу планеты также можно вывести из температуры атмосферы, давления и плотности. А эту информацию, в принципе, можно получить из трансмиссионного спектра.

Но, чтобы получить точное значение массы планеты, де Виту пришлось доказать, что эти три параметра можно вывести независимо друг от друга, только из показателей трансмиссионного спектра. Для этого ему пришлось продемонстрировать, что каждый параметр оказывает определённый характерный эффект на этот спектр.

Оказалось, что уже существует математическая константа XVIII века, называемая постоянной Эйлера – Маскерони, которая и помогает выявить отдельные эффекты каждого параметра. Другими словами, эта постоянная выступает в качестве "ключа шифрования" для процесса декодирования, при котором свойства атмосферы планеты выявляются из её трансмиссионного спектра.

"Это действительно помогает вам выявить всё необходимое из этих сумасшедших уравнений, – рассказывает де Вит. – Эта константа решает множество физических проблем, а теперь она важна и для планетарной науки".

Для проверки своего метода, де Вит применил новую технологию, чтобы получить информацию о недавно обнаруженной экзопланете HD 189733b, которая расположена в 63 световых годах от Земли в созвездии Лисички. Де Вит исходил из расчётов массы, полученных другими исследователями с помощью метода радиальной скорости. Используя данные космических телескопов высокого разрешения, учёный показал, что новая методика способна охарактеризовать массу и атмосферные свойства планет, уступающих по размеру Земле.

Данный метод вполне может найти применение в будущей миссии Европейского космического агентства (ESA). В начале 2014 года консультативному комитету предстоит выбрать одну из пяти экзопланет для запуска миссии в 2024 году.

Научная статья де Вита опубликована в издании Science.