Астрономы целенаправленно ищут землеподобные экзопланеты в обитаемых зонах, и одной из наиболее привлекательных систем оказалась TRAPPIST-1, расположенная примерно в 40 световых годах от нас. В её составе семь планет земного размера, четыре из которых потенциально способны поддерживать жидкую воду. Поскольку центральная звезда – слабо светящийся красный карлик – имеет обитаемую зону очень близко к себе, все эти миры, вероятно, приливно захвачены.
Запущенный для решения ряда ключевых задач космический телескоп JWST призван изучать происхождение жизни, в том числе через детальный анализ атмосфер экзопланет методом инфракрасной транзитной спектроскопии. При этом свет звезды, проходя через газовую оболочку планеты в момент её транзита, несёт информацию о составе атмосферы.
JWST уже применял этот метод к экзопланетам системы TRAPPIST-1, но столкнулся с серьёзным препятствием – так называемым «звёздным загрязнением».
В предстоящем выпуске The Astronomical Journal описываются первые наблюдения TRAPPIST-1e, выполняемые в рамках программы «JWST TRAPPIST-1e/b». Работа посвящена алгоритмам удаления эффекта активности красного карлика из спектров планеты. Исходная статья «JWST TRAPPIST-1e/b Program: Motivation and First Observations» доступна на arXiv.org, а ведущий автор – Натали Аллен из Университета Джонса Хопкинса.
«Одна из приоритетных задач – детектировать атмосферу умеренной каменистой планеты», – отмечают авторы. – «Система TRAPPIST-1 идеальна для таких наблюдений, однако активность поверхности звезды вносит значительные искажения, которые трудно моделировать».
Чтобы достоверно выделить сигналы атмосферы экзопланеты, учёным необходимо вычесть вклад звёздных пятен и факелов. При транзите планета закрывает лишь часть диска, и если она проходит перед тёмным пятном или ярким факелом, это может вызвать ложные признаки присутствия тех или иных молекул. Дополнительно спектральный выход краевых областей звезды отличается от центра диска.
Эти эффекты превращают каждое наблюдение в сложную задачу, а мощь JWST лишь усугубляет ситуацию, усиливая слабые сигналы. «Транзитные наблюдения трудны в интерпретации», – подчёркивают авторы. – «Красные карлики часто демонстрируют магнитную активность, проявляющуюся вспышками и изменением яркости по мере вращения».
В 2023 году JWST исследовал атмосферу суперземли GJ 486 b, обнаружив признаки водяного пара. Однако оставался вопрос: не вызваны ли они звёздными пятнами красного карлика?
Для уточнения модели звёздного шума астрономы обратились к ближайшей планете TRAPPIST-1b, которая на текущем этапе лишена атмосферы. Поскольку JWST посвятил системе свыше 400 часов наблюдений, сигналы безвоздушной «b» можно использовать для калибровки и вычитания звёздных искажений из данных по «e».
«Мы представляем концепцию и первые результаты нашей многоцикловой программы JWST для TRAPPIST-1e, где используют близкие транзиты b как независимый эталон для коррекции влияния звёздного шума и проверки наличия у e атмосферы со средней молекулярной массой, близкой к земной, с CO2», – поясняют авторы.
Предварительные данные подтверждают серьёзность проблемы: наблюдения в линии H-альфа обнаруживают вспышки разной силы и частоты, что нарушает предпосылку о неизменности поверхности звезды между транзитами b и e.
Авторы предлагают ограничиться 15 «близкими» транзитами – когда промежуток между прохождениями b и e не превышает восьми часов, что составляет менее 10 % от 3,3-дневного периода вращения звезды. Такой подход минимизирует изменения поверхности и в то же время даёт достаточно событий для статистически значимых выводов.
«Мы показали, что при 15 близких транзитах можем с высокой достоверностью выявить атмосферу, подобную земной, – говорится в статье. – Успех будет во многом зависеть от детекции полосы поглощения CO2 на 4,3 мкм, считавшейся ключевым признаком вторичных атмосфер».
Полоса в 4,3 мкм – одна из самых мощных и относительно изолированных в инфракрасном спектре, что снижает вероятность её маскировки эффектами звёздного шума.
Предложенный метод может стать универсальным решением: звездное загрязнение актуально не только для TRAPPIST-1 и красных карликов, но для всех звёзд с поверхностной активностью, которую необходимо учитывать при поиске атмосфер каменистых экзопланет.
«Проблема звёздного шума выходит далеко за пределы одной системы и остаётся серьёзным барьером на пути к надёжному обнаружению атмосферы землеподобных экзопланет», – заключают авторы.
