Экзопланеты: метод транзитной фотометрии

УДК 524.4-852
АТМОСФЕРА ЭКЗОПЛАНЕТЫ GJ 1214 B

Н.П. Емец, кандидат педагогических наук, доцент
Дальневосточный федеральный университет (Владивосток), Россия
Аннотация. 20 лет назад астрономы сделали выдающееся открытие в истории науки – обнаружили
планеты вне Солнечной системы. Исследование атмосфер таких планет является следующим важным шагом
в понимании нового класса астрономических объектов.
Ключевые слова: экзопланета, транзит экзопланеты, атмосфера экзопланеты, спектр экзопланеты,
экзопланета GJ 1214 b.
К настоящему времени вне Солнечной системы открыто 1077 планет (28.02.2014.). Планеты иных звезд
показывают более широкий спектр возможных миров, непохожий на планеты Солнечной системы. Среди исследуемых транзитных планет GJ 1214 b оказалась уникальной. Уникальность найденной планеты – в наличии
атмосферы. Необычная планета GJ 1214 b открыта в 2009 году транзитным методом наземными телескопами.
Астрономы отнесли её к новому классу экзопланет, в которых под плотной атмосферой находится неизведанный водный мир.
Экзопланета вращается вокруг красного карлика GJ 1214 и находится достаточно близко к Земле –
примерно 40 световых лет, транзит планеты по диску звезды велик и составляет 1,4% от потока звезды. Кроме
того, планета GJ 1214 b находится на близком расстоянии и от своей звезды, делая один оборот за 38 часов,
поэтому есть все возможности более детально изучить её атмосферу. Эффективная температура планеты оценивается в 400-550 К (в зависимости от альбедо). Масса и радиус несколько раз уточнялись, и теперь приняты:
Mp = 6,2 ± 0,9 земных масс; Rp = 2,74 ± 0,06 земных радиусов. Эти данные позволяют определить среднюю
плотность планеты: p = 1,6 ± 0,6 г/куб.см. Такая средняя плотность может соответствовать планетам с разным
химическим составом. Поэтому для выяснения природы планеты GJ 1214 b необходимы спектроскопические
наблюдения и прямое изучение химического состава её атмосферы.
Первые исследования предположили, что планета имеет атмосферу, но структура и состав её были непонятны. Выдвигались разные модели атмосферы (рисунок 1):
a) Атмосфера, состоящая в основном из нейтрального водорода. При транзите излучение звезды поглощается ее молекулами, что должно отражаться в спектре в виде линий поглощения.
b) Атмосфера с малым содержанием водорода. Основная её масса из более тяжелых элементов расположена вблизи поверхности планеты, свет от звезды практически не проходит через нее, на спектре её присутствие не будет видно.
c) Атмосфера с облачной структурой. Свет от звезды будет частично блокироваться, что отразится на
результирующем спектре.
Рисунок 1. Возможные модели атмосферы экзопланеты
Попытки выяснить химический состав атмосферы GJ 1214 b предпринимались несколькими научными
группами [2-6]. В 2011 году методами трансмиссионной спектроскопии (т.е. измерения зависимости глубины
транзита планеты от длины световой волны, на которой наблюдался транзит) была уверенно исключена безоблачная атмосфера солнечного химического состава [2]. Полученные данные неплохо описывались двумя разными моделями атмосферы GJ 1214 b – атмосферой из водяного пара и водородно-гелиевой атмосферой с высокими плотными облаками. Последующие многочисленные наблюдения не позволяли сделать выбор между
двумя конкурирующими моделями.
Атмосфера, богатая водородом, не подошла (модель a). "Облачный" сценарий (типа земных облаков
или тумана Титана) тоже не подошел (модель c). Спектр GJ 1214 b в широком диапазоне длин волн лишен каких-либо характерных линий, что заставляет выбрать модель с большим молекулярным весом (модель b).
© Емец Н.П. / Emets N.P., 2014
Наиболее подходящей моделью атмосферы является плотная атмосфера из водяного пара.
В новых исследованиях (рисунок 2), представленных на страницах журнала Nature [4], команда исследователей из университета Чикаго за 11 месяцев (2012-2013) провели наблюдения 15-ти транзитов GJ 1214 b по
диску родительской звезды в ближнем инфракрасном диапазоне при помощи телескопа "Хаббл" от 1,1 до 1,7
мкм.
Рисунок 2. Спектр планеты GJ 1214 b
Полученные данные подтвердили, что планета окружена плотными облаками. Каковы свойства этих
облаков? В качестве состава атмосферы авторы статьи [4] предполагают смесь водяного пара и водородногелиевой смеси солнечного состава, причем доля водяного пара варьировалась от 0.01 до 99.9%. Согласно расчетам, облака должны располагаться достаточно высоко, на уровне давлений 0,01-0,1 миллибар.
Проанализировав полученные данные (рисунок 2), ученые исключили безоблачную атмосферу из водяного пара, атмосферу из метана, угарного газа, углекислого газа. Отсутствие каких-либо следов аммиака в атмосфере GJ 1214 b позволило исключить атмосферу состава 99.9% азота + 0.1% водяного пара. Если бы атмосфера планеты GJ 1214 b была безоблачной, но при этом состояла из относительно тяжелых газов (водяного
пара, азота, угарного или углекислого газов), то спектральные признаки этих газов в атмосфере GJ 1214 b были
бы обнаружены.
Учёные из Японии (National Astronomical Observatory) объединили свои результаты с предыдущими
наблюдениями в других цветах и пришли к выводу, что атмосфера GJ 1214 b содержит значительное количество воды, находящейся в необычном для Земли состоянии [6].
Запуск 6,5-метрового космического телескопа им. Джеймса Вебба (США) поможет открыть новую эру
в изучении атмосферы экзопланет. Астрономы надеются, что возможности этого телескопа позволят заглянуть
за облака на планете GJ 1214 b и начать поиск планет, на которых может существовать жидкая вода.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. The Extrasolar Planets Encyclopaedia [Электронный ресурс] URL: http://exoplanet.eu/catalog.php (дата обращения:
28.02.2014).
2. Desert, J-M., Bean, J. Observational evidence for a metal rich atmosphere on the super-Earth GJ1214b //
arXiv:1103.2370v1 [astro-ph.EP]. 2011.
3. Fraine, J. Spitzer Transits of the Super-Earth GJ1214b and Implications for its Atmosphere // Astrophysical J. – 2013. –
Vol. 765. arXiv:1301.6763 [astro-ph.EP].
4. Kreidberg, L. Clouds in the atmosphere of the super-Earth exoplanet GJ 1214b // Nature, 2014. – Vol. 505. – P. 69-72.
5. Morley, C. Quantitatively Assessing the Role of Clouds in the Transmission Spectrum of GJ 1214b // Astrophysical J. –
2013. – Vol. 775.
6. Narita, N., Fukui, A., Ikoma, M., Hori, Y. Multi-color Transit Photometry of GJ 1214b through BJHKs Bands and a
Long-term Monitoring of the Stellar Variability of GJ 1214 // Astrophysical J. – 2013. – Vol. 773.
Материал поступил в редакцию 28.02.14.
ATMOSPHERE OF EXTRASOLAR PLANET OF GJ 1214 B
N.P. Emets, Candidate of Pedagogical Sciences, Associate Professor
Far Eastern Federal University (Vladivostok), Russia
Abstract. 20 years ago, astronomers made outstanding discovery in the history of science –they found planets
out of Solar system. Research of the atmospheres of such planets is the following significant step in understanding the
new class of astronomical objects.
Keywords: extrasolar planet, transit of extrasolar planet, atmosphere of extrasolar planet, range of extrasolar
planet, extrasolar planet of GJ of 1214 b.