Как можно узнать, смотрим ли мы на обитаемые экзоземли или адские экзовенеры

Различия между Землей и Венерой для нас очевидны. Одна планета сияет жизнью и украшена сверкающими морями, а другая представляет собой раскаленную, мерцающую адскую дыру, вулканическая поверхность которой окутана густыми облаками и видна только с помощью радара. Но разница не всегда была очевидной. Фактически, мы привыкли называть Венеру планетой-сестрой Земли.

В обитаемых зонах далеких солнц много планет земной группы. Иногда их называют «землеподобными» только потому, что они каменистые и находятся на правильном расстоянии от звезды. Но при скудной информации об их атмосфере и климате и почти полном отсутствии информации о других вещах, таких как тектоника плит, можно ли их действительно точно описать как земные? Могут ли они так же легко быть перегретыми экзовенерами?

Поляриметрия может помочь определить, какие экзопланеты больше похожи на Землю, а какие на Венеру.

Поляриметрия — это измерение поляризованного света, на который повлиял материал, через который он проходит, отражается, преломляется или дифрагирует. Поляриметрия также является интерпретацией измерений. В новой статье моделируется поляризация звездного света, отражаемого различными типами атмосфер экзопланет, на основе эволюции атмосферы Венеры с момента ее образования. Авторы хотели знать, может ли поляриметрия различать экзопланеты, подобные Земле, и экзопланеты, подобные Венере.

Статья называется «От экзоземли к экзовенере — потоки и поляризационные признаки отраженного света» и она опубликована в журнале Astronomy and Astrophysics. Ведущий автор — Гурав Махапатра, физик атмосферы из Нидерландского института космических исследований.

Сравнения между Венерой и Землей являются поучительным случаем в планетарной науке. Они обе одного возраста, примерно одинакового размера, обе каменистые планеты, образованные из одних и тех же материалов, и обе имеют значительную атмосферу. Но астрономам любопытна обитаемость. И когда дело доходит до обитаемости, эта пара планет сильно отличается. Земля буквально поет хором жизни, а Венера молчит.

Ученые знают, что атмосферы Земли и Венеры со временем сильно изменились. Когда астрономы изучают экзопланеты в поисках похожих на Землю планет, они не могут знать, на какой стадии эволюции они находятся, поэтому им необходимо моделировать атмосферы на разных этапах эволюции. Поскольку экзо-Венеры могут маскироваться под экзо-Земли, им нужен метод, чтобы отличить их друг от друга.

Венера могла начаться с тонкой атмосферы, похожей на земную. Возможно, там тоже был океан. Но планета пострадала от безудержного парникового эффекта. Это вытолкнуло воду в атмосферу, создав атмосферу, обогащенную водяным паром. Это заняло время, и исследователи смоделировали атмосферу Венеры в четыре разных этапа, имитируя то, что они могли бы увидеть, когда найдут экзопланеты земной группы.

Исследователи рассчитали как поток, так и поляризацию света для атмосфер разных стадий эволюции атмосферы Венеры. Они варьировали состав атмосферы от чистой воды до содержащей серную кислоту, характерный газ в плотной современной атмосфере Венеры. Они хотели выяснить, насколько велика разница поляризации в зависимости от потока. Если поляризация заметно менялась, значит, они были на верном пути.

В фазе 1 атмосфера соответствует нынешней атмосфере Земли, за исключением кислорода. Кислород не сильно влияет на результаты, поэтому количество кислорода в атмосфере экзопланеты не будет иметь решающего значения для поляриметрии.

В фазе 2 атмосфера больше похожа на венерианскую и состоит почти из чистого газа CO2. У него относительно тонкие облака жидкой воды с b c = 4 и с вершинами облаков на высоте 80 км. Для этой фазы команда использовала r eff 0,5 мкм, что меньше современного значения. Атмосфера была настолько горячей, что не могла произойти сильная конденсация, препятствующая росту частиц.

На третьем этапе облака представляют собой густые облака раствора серной кислоты. b c = 120, а вершины облаков находятся на высоте 65 км, потому что атмосфера достаточно холодная, чтобы обеспечить конденсацию и/или слияние насыщенного пара в большом диапазоне высот.

В Фазе 4 облака очень похожи на современные облака Венеры. Облака не такие густые с a b c = 30, а вершины облаков находятся на высоте 65 км.

Поскольку исследователи рассматривали поляризованный свет, фазовый угол планеты имеет решающее значение для их результатов. Фазовый угол — это угол между светом, падающим на наблюдаемый объект, и светом, отраженным от объекта. В данном случае это угол между нами (наблюдателем), экзозвездой и экзопланетой.

Степень поляризации отраженного звездного света показывает большие изменения в зависимости от планетарного фазового угла и длины волны, чем общий поток, пояснили ученые. В видимом свете наибольшая степень поляризации наблюдается у земных атмосфер, содержащих облака водяного пара. Отчасти это связано с рэлеевским рассеянием.

Проблема, с которой сталкиваются астрономы при изучении атмосфер экзопланет, заключается в том, что они не могут контролировать фазовый угол своих наблюдений. Это определяет ориентация орбиты планеты, и со временем она меняется. Чтобы учесть это, исследователи объединили все свои данные моделирования в одно изображение, которое показывает, какие планетарные модели имеют наибольшую абсолютную степень поляризации.

Исследователи смоделировали Венеру на четырех этапах эволюции и показали, как полярность меняется в зависимости от состава атмосферы, размера частиц и фазового угла. Так что кажется, что поляриметрия может играть большую роль в исследованиях экзопланет. Это уже важный инструмент в астрономии, который используется для изучения черных дыр, дисков, образующих планеты вокруг звезд, скрытых галактических ядер и других астрономических объектов.

В распоряжении астрономов имеется множество поляриметров. Инструмент SPHERE на VLT и инструмент HARPS в Ла Силья имеют поляриметры, как и многие другие телескопы. Проблема в том, что, хотя мы можем моделировать изменения полярности экзопланет, это не означает, что они настолько заметны, что мы можем обнаружить их с большого расстояния.

«Существующие поляриметры, по-видимому, неспособны различать возможные эволюционные фазы пространственно неразрешенных экзопланет земного типа», — пишут авторы. 

Но наши нынешние поляриметры пока не справляются с этой задачей. Телескоп должен быть в состоянии наблюдать большое изменение разрешенной степени поляризации планеты в зависимости от ее фазового угла и, таким образом, быть в состоянии отличить экзо-Землю от экзо-Венера, основанная на уникальных сигнатурах поляризации ее облаков.

Предложенный Тридцатиметровым телескопом формирователь изображений планетарных систем также может справиться с этой задачей. Но это инструмент второго поколения, и он не будет доступен с первого дня.

Несмотря на то, что современные поляриметрические инструменты могут быть недостаточно мощными, авторы считают, что поляриметрия сможет определить разницу между действительно похожими на Землю планетами и планетами, подобными Венере. Просто нужны поляриметры с экстремальными контрастами.

«Достижение таких крайних контрастов позволило бы напрямую обнаруживать планеты земного типа и использовать поляриметрию для различения экзоземли и экзовенеры», - отмечают ученые. 

Вероятно, это только вопрос времени.