Атмосферы экзопланет: что известно и что предстоит узнать?

1. Атмосферы экзопланет: что известно и что предстоит узнать?

КФУ, Казань, 2 октября
2019 г.
Атмосферы экзопланет:
что известно и что предстоит узнать?
Валерий Иванович Шематович
Институт астрономии РАН, Москва

2. Экзопланеты: образование

Жизненный цикл межзвездного вещества в нашей Галактике
2

3. Экзопланеты: образование и эволюция

Первая экзопланета, открытая в
1995 г. у звезды солнечного типа:
- 51 Peg – M=1.1 Msun
- Планета 51 Peg b со следующими
характеристиками: T=4.7 дня,
a=0.005 a.u., M=0.47 MJupiter.
Наша Солнечная система
3

4. Экзопланеты: образование и эволюция

Система из 8 планет у подобной
Солнцу звезды Kepler-90,
расположенной на расстоянии в 2545
световых лет. Планета Kepler-90i
открыта в декабре 2017 г.
Наша Солнечная система
4

5. Экзопланеты: статистика

Слева: показаны орбитальный период в земных днях и размер планеты в радиусах
Земли
Справа: показаны расстояние до звезды в а.е. и масса планеты в массах Земли
Открыто ~ 3800 планет (http://exoplanetarchive.ipac.caltech.edu/)
Методы обнаружения экзопланет: - транзитный (~ 78%), измерения лучевых
скоростей родительских звезд (~18%), тайминга (0.8%), гравитационного
микролинзирования (1.5%), прямого получения изображений экзопланет (1.2%). 5

6.

Экзопланеты: КТ Кеплер
Расстояние от Солнца в а.е.
Космический телескоп Кеплер:
-Основная миссия наблюдений транзитов 2009 -2013 гг.;
-Поле наблюдений ~150 000 звезд;
- Открыто более 5000 кандидатов в экзопланеты, более половины из
которых подтверждено другими методами наблюдений;
-Расширенная миссия К2 2014-2017.
6

7. Экзопланеты: распределение планет по данным КТ Кеплер

Экзопланеты занимают широкий диапазон значений по массе планеты и ее
эффективной температуре:
-Экзоземли и суб-земли (Т~ 300 К; R <1.25RE);
-Супер-земли (Т~ 500 К; R~ (1.25 – 2.0)RE );
-Горячие нептуны и суб-нептуны (водные миры) (Т~ 700 -1200 К; R~ (2.0 – 6.0)RE );
- Горячие (экстремально горячие) юпитеры (Т~ 1300 -3000 К) на близких к звезде
орбитах;
-Теплые и холодные газовые гиганты (Т~ 500 -1500 К; R~ (6.0 – 15.0)RE ),
7
относительно удаленные от звезды.

8. Экзопланеты: в зонах обитаемости

Текущая статистика экзопланет, находящихся в потенциальных зонах обитаемости
8
своих родительских звезд

9. Экзопланеты: сколько планет?

Общие выводы из текущей статистики экзопланет на основе наблюдений КТ
Кеплер:
-планеты разных типов, начиная от планет с лавой или магмой на поверхности, и
до планет-океанов и ледяных планет;
- в среднем встречается одна планета почти у каждой звезды в нашей Галактике;
- планеты с размером Земли достаточно обычны и, более того, часто расположены9в
зоне потенциальной обитаемости родительской звезды!

10. Экзопланеты: эпоха характеризации

1. Открытия планет: как много планет в нашей галактике?
- измерения радиальных скоростей;
- фотометрия транзитов.
2.
Характеристики планет: на что похожи экзопланеты?
- спектроскопия транзитов;
- прямые изображения планет;
- внутреннее строение и
атмосферы планет.
3. «Тусклые голубые точки»: Обитаемы ли экзопланеты?
Есть ли признаки жизни?
- спектроскопия транзитов;
- прямые изображения планет;
- эволюция планетных атмосфер;
- биомаркеры.
10

11. Внесолнечные планеты: эпоха характеризации

11

12. Экзопланеты: эпоха геофизической характеризации

Первичная геофизическая
характеризация экзопланет по
диаграмме масса-радиус:
- определить среднюю
плотность планеты - каменные,
ледяные или газовые планеты!
Общие тенденции: большое
разнообразие планет по
сравнению с Солнечной
системой; горячие планетыгиганты, «раздутые» планетыгиганты, выборочность
наблюдений и т.д.
Ограничения на теорию
образования планет:
-переход между каменистыми и
газовыми планетам;
- эффективность накопления и
потери Н/Не оболочек:
- атмосферное убегание; - ….
12

13. Экзопланеты: эпоха геофизической характеризации

Схематическое представление различных классов атмосфер (Forget & Leconte, 2014).
Показаны только ожидаемые основные газы, другие (примесные) газы также могут
присутствовать. Каждая линия представляет собой переход от одного режима к
другому, но эти «переходы» нуждаются в жесткой калибровке по наблюдениям.
Планеты Солнечной системы показаны вместе с планетой с океаном лавы,
планетой-океаном и горячим Юпитером.
13

14. Экзопланеты: эпоха геофизической характеризации

Распределение известных в настоящее время экзопланет в зависимости от
расстояния до звезды (до 30 а.е.) и радиусов планет. График предполагает
непрерывное распределение размеров планет - от суб-земель до суперюпитеров.
14

15. Экзопланеты: эпоха геофизической характеризации

Proxima b
Trappist-1
15

16. Экзопланеты: характеристики химии атмосфер

0.1—0.2 μm
HST
0.3–1.7 μm
JWST
3.0–24 μm
Spitzer IR ST
16

17.

Экзопланеты: характеристики химии атмосфер
Спектр пропускания для суб-нептуна GJ1214b
(M=6ME, R=2.7RE, Teff > 400K):
-Черный цвет- недавние данные КТХ;
- Желтый – модель водородной атмосферы без облаков;
- Синий – модель атмосферы из паров воды.
Анализ указывает на присутствие облаков и дымки в атмосфере. Но
почему так высоко в атмосфере?
17

18. Экзопланеты: характеристики химии атмосфер

HD209458 b
WASP-12b
Образование горячих водородных оболочек и потери атмосферы по наблюдениях на
КТХ в УФ диапазоне (L. Fossati, D. Bisikalo,…) :
- Протяженные оболочки образуются у горячих юпитеров и нептунов (синие символы
– WASP-12b, HD209458 b, HD189733 b, 55 Cnc b, GJ436 b)
- Не наблюдаются у супер-земель (красные символы – Kepler 444b-f, 55 Cnc e,
HD97658b,…)
18

19. Экзопланеты: газовые оболочки экзопланет

Тэ = 6000 – 8000 К
Интерпретация наблюдений на КТХ протяженной водородной атмосферы
HD209458b:
В ИНАСАН разработана 3D газодинамическая модель взаимодействия звездного ветра с
атмосферой экзопланеты на близкой к родительской звезде орбите. Это позволило развить
классификацию газовых оболочек, образующихся в результате воздействия звездного ветра
на атмосферу горячего юпитера или нептуна (Бисикало и др., 2013):
(а) если точка лобового столкновения лежит внутри полости Роша планеты, то оболочки
имеют почти сферическую форму классической атмосферы, слегка искаженную воздействием
звезды и взаимодействием с газом звездного ветра;
(б) если точка лобового столкновения находится за пределами полости Роша, то начинается
истечение через окрестности точек Лагранжа L1 и L2, и оболочка становится либо замкнутой,
19
либо незамкнутой, и существенно несимметричной.

20. Экзопланеты: газовые оболочки экзопланет

Разработанная теория газовых оболочек горячих юпитеров позволила
объяснить эффект раннего затмения, открытый в наблюдениях для
транзитов экстремально горячего юпитера WASP-12b при помощи КТХ, за
счет образования сильно ассиметричной структуры газовой оболочки
(Bisikalo et al., ApJ, 2013).
20

21. Экзопланеты: распределение планет по данным КТ Кеплер

Пустыня горячих нептунов
Ущелье фотоиспарения
Экзопланеты занимают широкий диапазон значений по радиусу планеты и потоку
излучения от родительской звезды. Выявлены следующие структуры:
-А) пустыня горячих нептунов (Т~ 700 -1200 К; R~ (2.0 – 6.0)RE );
-Б) ущелье фотоиспарения, разделяющее каменистые экзоземли и супер-земли
21
(R < 1.8RE ) и суб-нептуны и водные миры (R >2.0RE).

22. Экзопланеты: эволюция атмосфер

Схематическое представление путей образования и эволюции планет, посредством
которых, начиная с газо-пылевой фракции в околозвездных дисках, образуются
различные виды планет. Черные стрелки указывают пути, связанные с процессами
образования (например, неустойчивость диска, аккреция пыли, захват газа), а синие
стрелки указывают пути, задаваемые атмосферной эволюцией (например,
атмосферное убегание, эрозия атмосферы, дегазация). Планеты делятся на три
широкие категории: скальные/ледяные планеты (в основном состоящие из Si, Mg,
Fe, C, O), газовые планеты-гиганты (для которых H и He представляют
значительную часть их массы) и переходные планеты (охватывающие переход между
крупнейшими скалистыми и ледяными планетами и самыми маленькими богатыми
газом планетами). Солнечная система предлагает нам примеры скалистых и
ледяных планет и газовых гигантов, но в ней нет переходных планет.
22

23. Экзопланеты: эволюция атмосфер

Планетыгиганты,
а также
большинство
малых планет
образуют во
внешних,
более
холодных
областях
околозвездных
дисков, где
присутствует
большая часть
газа, пыли и
льдов.
Миграция
доставляет
значительную
часть планет
ближе к звезде.
23

24.

Экзоатмосферы: эволюция - Земля
Сходный сценарий изменения атмосферы для ранней Земли после
образования плотной паровой атмосферы в течение процесса
затвердевания океана магмы.
24

25. Экзопланеты: Зоны обитаемости

Голубым выделена стандартная зона для каменистых планет с N2-CO2-H2O
атмосферами;
Темно-голубым – расширенная зона для планет в переходной области от
каменистых к суб-нептунам.
25

26.

Экзопланеты: астробиологические характеристики
O3
<0.3% ppmv O2
O2
H2O
H2 O
H2 O
21% O2
0.1% O2
Если фотосинтез прекращается, то содержание О2 уменьшится
экспоненциально до <0,4% в течение ~10 млн. лет.
Предлагается поиск подобных Земле экзопланет с О2 и СН4 в качестве
биомаркеров.
(Meadows, 2006)
26

27.

Атмосферы экзопланет: модели
Модельные спектры атмосфер малых экзопланет. Спектры отраженного
света представлены в единицах отношения потока от планета/звезда и их
спектральное разрешение предполагается для экзоЗемель в наблюдениях с
будущими космическими телескопами способными подавлять излучение
звезды (Seager & Bains, 2015).
27

28.

Классические биомаркеры:
Жизнь на Земле проявляется в глобальных изменениях среды:
– атмосферы – молекулярный кислород;
– поверхности – red edge (Sagan et al., 1993);
– изменений во времени - сезонные изменения растительного покрова,
сезонная периодичность в содержании атмосферных CO2 и СН4
связана с газовым обменом (дыханием) биосферы Земли;
- Термодинамическое неравновесие атмосферы, O2 /СН4, и т.д.
Наиболее важными молекулами являются следующие:
• H2O и CO2 в качестве маркеров обитаемости;
• О2, О3 , N2O и CH4 в качестве потенциальных биомаркеров.
• Кислород и его производная - озон считаются устойчивыми продуктами, а
их известные фотохимические механизмы образования работают лишь вне
пределов зоны потенциальной обитаемости.
Для подобной Земле планеты, которая находится в зоне обитаемости,
свободный О2 - это надежный показатель жизни!!!
Des Marais et al., Remote Sensing of Planetary Properties and Biosignatures on
Extrasolar Terrestrial Planets. Astrobiology, 2002.
28

29.

Биомаркеры: диссипация атмосферы
Ложные срабатывания для кислорода, их спектральные дискриминанты и
нужные диапазоны длин волн для наблюдений (Meadows, 2016).
29

30. Экзопланеты: перспективы исследований

WSO-UV
30

31. Экзопланеты: перспективы исследований –Россия Спектр-УФ (Всемирная космическая обсерватория-УФ)

Телескоп: T-170M, 1.7 m,
f/10, Россия.
Спектрографы:
WUVS (UVES + VUVES),
R 5-6x104; 115-180, 178-305
LSS, R 1000, 115-305 нм
Россия.
Камеры:
=110 - 340 нм,
2 УФ камеры (в дальнем и
ближнем УФ диапазонах).
Россия, Испания
+ 1 УФ камера
Россия, Япония
Платформа: «Навигатор»,
Россия.
Наземный сегмент: Россия,
Испания.
Одна из основных задач СПЕКТР-УФ:
Изучение физико-химического состава атмосфер планет в
Солнечной и внесолнечных системах и астрохимия в поле
31
УФ излучения

32. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящее время активно исследуются проблемы образования,
устойчивости и эволюционного статуса околозвездных и протопланетных
дисков, атмосфер планет в других звездных системах с помощью
математического
моделирования
и
посредством
развернутых
наблюдательных компаний наземными и космическими телескопами.
Необходимо ответить на основные вопросы современной астрофизики:
как образуются и изменяются во времени планеты, каким образом
возникли планетные системы и почему появилась жизнь на Земле? Путем
изучения Солнечной системы мы связываем «локальные» исследования с
вопросом о существовании похожих на Землю внесолнечных планет и
условиях, ожидаемых на их поверхности.
Спасибо за внимание!
32