В звёздной линии Лайман-альфа

Международная команда  астрофизиков выполнила сложное моделирование экзосфер планет,  сходных по радиусу и массе с Землей

Для современной планетологии интересна эволюция относительно небольших экзопланет (планет за пределами Солнечной Системы) размером и массой похожих на Землю. Изучение такого рода небесных тел нужно, чтобы узнать закономерности их формирования и оценить возможность возникновения условий, благоприятных для существования на них живых организмов. Характеристики планет, а также свойства  их атмосферы и окружающей среды учёные изучают, применяя  Лайман-альфа (Lyα)-наблюдения во время так называемого «транзита» - прохождения планеты на фоне видимого диска звезды.  Трудность заключается в том, что в настоящее время наблюдения Lyα могут быть получены только при помощи космического телескопа «Хаббл», так как это единственная космическая обсерватория, оснащенная УФ-прибором. 

Так, международная команда   ученых-астрофизиков теоретически смоделировала транзитные сигнатуры в линии Лайман-альфа (Lyα) предполагаемой планеты размером с Землю, вращающейся вокруг звезды GJ 436, являющейся «красным карликом». В работе были рассмотрены атмосферы трех типов: атмосфера с преобладанием водорода, атмосфера с преобладанием азота и атмосфера, представляющая собой смесь азота и небольшого количества водорода, аналогичная атмосфере Земли. Используя  код прямого численного моделирования Монте-Карло для трех типов атмосфер, специалисты рассчитали поглощение линии излучения Лайман-альфа звезды при его  прохождении через атмосферу планеты.  Результаты расчетов показали, что для рассмотренных планет типа Земли наблюдения атмосферного поглощения в линии Lyα с помощью телескопа «Хаббл» могут быть информативны только  при наличии первичной водородной атмосферы, но не вторичной. Для распознавания вторичной атмосферы потребуется более совершенный прибор.

Полученные научным коллективом   результаты теоретической работы, в основе которой лежит математическое моделирование,  обнародованы  в    рецензируемом  научном  издании      Astronomy & Astrophysics    (Volume 623, No A131, 2019).

Что такое  Lyα-наблюдения,  на чём основаны численные расчёты процесса поглощения  пути в линии Lyα и в чём состоит моделирование  атмосферы  малых планет,  -  комментирует  участник  проекта Николай Васильевич Еркаев  - доктор физ-мат. наук, профессор Сибирского федерального университета (г. Красноярск),  сотрудник Института вычислительного моделирования СО РАН, Академгородок (г.Красноярск).

 По словам красноярского  учёного,  для современных астрофизиков  «изучение планетных атмосфер на разных стадиях эволюции дает возможность понять закономерности эволюции планет и звёзд, позволяет оценить возможность возникновения условий, благоприятных для появления жизни на землеподобных планетах».

Если планета похожа на Землю с точки зрения массы и размера, она не обязательно имеет подобную атмосферу. Количество водорода зависит от истории формирования планеты. По мере того, как  планета растет до массы, близкой к массе Земли, она может удерживать первичную водородную атмосферу. Эволюционный путь планеты сильно зависит от эволюции звёздной активности и от начального количества водорода. Первичная атмосфера может улетучиться под действием достаточно интенсивного излучения звезды, и тогда возникают условия для образования  вторичной атмосферы более сложного состава с преобладанием азота.

Планета GJ 436b, за атмосферой которой  велись наблюдения,  сходна по размеру и массе с  Нептуном и вращается вокруг звезды типа «красного карлика». Она окружена огромным водородным облаком, что подтвердило  численное моделирование. Относительная близость этой планеты к Земле обеспечила высокое качество данных наблюдения, полученных с космического телескопа «Хаббл».

В этом проекте специалисты  решили  использовать наблюдения за транзитом планеты GJ 436b для проверки своей численной модели.

“Транзитом” называют видимое прохождение планеты по диску светила.

При этом планета заслоняет свет и выглядит как небольшое темное пятно на фоне диска звезды. Лайман-альфа  - это спектральная линия излучения звезды, которая эффективно поглощается нейтральными атомами водорода и позволяет наблюдать атмосферу планеты, истечение атмосферного водорода и его взаимодействие с потоком звёздного ветра. По сути, это единственный инструмент  непосредственного наблюдения планетных атмосфер.  В особенности, этот метод эффективен для наблюдений молодых планет, для которых характерно наличие, так называемых, первичных плотных водородных атмосфер, возникших на стадии формирования планеты из протопланетного облака», - объяснил профессор Николай Еркаев.

Численные расчёты процесса поглощения в линии Lyα, как пояснил Еркаев, заключаются в следующем: «Сначала выполняется модельный расчёт пространственного распределения плотности атмосферных частиц вокруг планеты. Поглощение отдельным атомом характеризуется известным физическим параметром, называемым сечением поглощения и зависящим от скорости атома. Далее, используя сечение и найденное распределение плотности, рассчитывается поглощение лучистой энергии вдоль траектории луча».

Астрофизики  провели  сложное моделирование  водородной оболочки и других параметров планеты GJ 436b. Затем рассчитали поглощение в линии Lyα,  сравнили с наблюдаемым профилем Lyα GJ 436 и получили хорошее согласие теории с экспериментом.

Для моделирования планетарных экзосфер был применён код прямого численного моделирования Монте-Карло (DSMC), разработанный первоначально в Швеции  (Mats Holmstroem,   Институт космической физики, г. Кируна). Его уникальность, по замечанию профессора Еркаева, в том, он «…рассчитывает траектории движения частиц газа в гравитационном поле планеты, которые носят случайный характер. При этом учитываются такие процессы, как поглощение излучения, ионизация и парные соударения частиц, которые также случайны».

Исследования проводились в течение  2018 года коллективом учёных из России, Австрии, Швеции. Преимущественно работа выполнялась в Институте астрономии Венского университета (Австрия), а также в Институте космических исследований Австрийской академии наук (г. Грац). «Ведущим автором является Кристина Кислякова, сотрудница  Института астрономии в Вене, которая непосредственно применяла код  DSMC для моделирования атмосферных частиц, улетающих из атмосферы планеты и взаимодействующих со встречным потоком звездного ветра. В этом коде использовались граничные условия на нижней границе расчётной области, которые были получены на основе расчёта по гидродинамической модели атмосферы, разработанной при моем участии», - сообщил профессор Николай  Еркаев и пояснил   также, -  Остальные соавторы участвовали в постановке задачи и подготовке входных данных для численного эксперимента, физической интерпретации результатов численного моделирования и сравнении результатов моделирования с данными наблюдений».

Однако существует  своя специфика Lyα-наблюдений   над планетой GJ 436b.  Николай Еркаев отмечает:  «В работе показано, что атмосферу планеты размером с Землю в «обитаемой зоне» звезды GJ 436 можно наблюдать с помощью космического телескопа «Хаббл» на основе Лайман-альфа поглощения только в том случае, когда  в ней преобладает водород, что характерно для  первичных атмосфер планет, возникающих на начальной стадии эволюции планеты. Далее первичная атмосфера может улетучиться под действием интенсивного ультрафиолетового излучения от звезды. В результате формируется уже вторичная атмосфера, содержащая азот, кислород и углекислый газ. Именно вторичная атмосфера необходима для возникновения жизни».

Российский ученый подчёркивает, что  «данная работа показывает, что для обнаружения вторичной атмосферы  у землеподобной планеты возможностей телескопа «Хаббл» недостаточно и нужен телескоп с более широкими спектроскопическими возможностями, появление которого ожидается в ближайшем будущем (WSO UV телескоп). Планета   GJ 436b по своим размерам сходна с Нептуном и располагается довольно близко от звезды.  В этом случае, «Хаббл» телескоп обнаружил довольно сильное Лайман-альфа поглощение,  свидетельствующее о наличии плотной атмосферы, содержащей много водорода. Сравнение численного моделирования с наблюдениями позволило определить параметры звёздного ветра, определяющего внешние границы нейтрального водорода, истекающего из атмосферы».

Результаты   этого исследования  безусловно важны для фундаментальной науки.   Прежде всего потому,  что  специалистами «рассматривались планеты в окрестности звезды GJ 436, являющейся типичным представителем «красных карликов» — наиболее многочисленных звёзд во Вселенной.  Вокруг таких звёзд часто вращаются относительно небольшие планеты, сравнимые по размерам и массе с Землей. На таких планетах, находящихся в так называемой «обитаемой зоне», не исключено возникновение жизни. При этом важно наличие подходящей атмосферы, - сказал Николай Еркаев и отметил, -  В работе на основе математического моделирования изучены условия, при которых возможно наблюдение атмосфер землеподобных планет космическим телескопом  «Хаббл»,  который единственный пока может регистрировать поглощение атмосферным водородом Лайман-альфа излучения звёзды. Показано, что с учетом существующих погрешностей данный телескоп способен наблюдать лишь водородные атмосферы названых планет в обитаемой зоне в окрестности звезды типа «красного карлика», удаленной от нас не дальше, чем звезда GJ 436».  

«Работа также показывает, что если данный телескоп не видит заметного поглощения у планеты типа Земли в обитаемой зоне «красного карлика», это не значит, что атмосферы нет. Это может быть вторичная атмосфера с небольшим содержанием водорода, которую смогут увидеть новые готовящиеся космические обсерватории, такие как LUVOIR   и WSO UV. Таким образом, полученные в работе результаты математического моделирования дают астрономам ориентиры в их экспериментальных исследованиях», - заключил профессор Еркаев.