Астрономы пока не нашли ни одной экзопланеты, для которой существование поверхностного океана жидкой воды было бы надёжно подтверждено. Даже если планета находится в обитаемой зоне своей звезды, это ещё не означает, что на её поверхности действительно есть вода в жидком состоянии. Удалённый мир может оказаться слишком сухим, покрытым льдом или обладать атмосферой, не позволяющей воде существовать в привычной форме.
Один из наиболее перспективных способов решить эту проблему связан не с непосредственным обнаружением воды в спектре атмосферы, а с особенностью отражения света от гладкой поверхности океана. В определённой геометрии поверхность воды действует как зеркало: свет звезды отражается от неё в направлении наблюдателя, и планета становится заметно ярче. Такой эффект называют океанским бликом, или glint.
Новая работа исследователей из Университета Аризоны показывает на моделях, что этот эффект может быть различим даже с учётом волн на поверхности океана. Для смоделированного аналога Земли обнаружение становилось возможным при фазовом угле более 120 градусов. Это важно для концепции будущей космической обсерватории NASA Habitable Worlds Observatory — HWO, поскольку прежние расчёты указывали на необходимость наблюдений при ещё более узкой геометрии, около 130 градусов. Снижение этого требования расширяет диапазон условий, при которых будущий телескоп сможет искать признаки поверхностной жидкой воды.
При этом речь пока идёт о компьютерном моделировании, а не об обнаружении океана на конкретной экзопланете. HWO находится на стадии разработки концепции и технологической подготовки, а сам метод должен пройти дальнейшую проверку на реальных наблюдательных данных и различных типах планет.
Почему найти океан на экзопланете настолько сложно
Астрономы уже обнаружили более 5500 экзопланет, однако информация об их поверхности обычно крайне ограничена. Даже если планета относительно близка по размеру к Земле, увидеть её поверхность напрямую чрезвычайно сложно.
Главная проблема заключается в расстоянии и контрасте яркости. Планета отражает свет своей звезды, но сама звезда во много раз ярче. Для наблюдателя с Земли небольшая точка света от планеты оказывается расположена рядом с гораздо более ярким источником. Поэтому задача обнаружения слабого отражённого света требует очень эффективного подавления света звезды.
Даже после того как планету удаётся отделить от звезды, остаётся другая проблема: она выглядит как одна небольшая светящаяся точка. Современные и будущие телескопы не смогут рассмотреть на поверхности большинства таких миров отдельные материки, моря или облака в виде обычной фотографии. Поэтому исследователям приходится искать изменения общей яркости и спектра планеты.
Именно здесь возникает возможность использовать физические свойства воды.
Обитаемая зона ещё не означает наличие океана
Обитаемой зоной называют область вокруг звезды, где при определённых атмосферных условиях на поверхности планеты может существовать жидкая вода. Это полезный критерий для поиска потенциально пригодных для жизни миров, но он не является доказательством наличия воды.
Планета может находиться в обитаемой зоне и при этом быть сухой, покрытой льдом или иметь атмосферу и климат, совершенно не похожие на земные. Даже наличие воды не означает автоматически существование жизни.
Поэтому одной из важных задач будущих исследований становится не просто поиск планет в обитаемой зоне, а определение их реальных физических условий. Поверхностная жидкая вода является одним из особенно важных параметров, поскольку именно океаны могут существенно влиять на климат и долговременную стабильность окружающей среды.
Вода ведёт себя как зеркало
На Земле мы регулярно можем наблюдать явление, лежащее в основе нового метода. Когда солнечный свет падает на спокойную поверхность моря или озера под небольшим углом, он может отразиться преимущественно в определённом направлении. Для наблюдателя, находящегося в подходящей точке, поверхность воды выглядит как яркий световой блик.
Это отличается от поведения большинства природных поверхностей. Почва, камни, песок и многие другие материалы рассеивают падающий свет значительно более равномерно. Физики называют такое отражение диффузным, или ламбертовским.
У воды поверхность гораздо сильнее проявляет зеркальную составляющую отражения. При почти вертикальном освещении этот эффект не обязательно будет особенно заметным. Но при скользящем падении света геометрия становится благоприятной: отражённый свет может направиться непосредственно к наблюдателю.
Для экзопланеты это означает, что её видимая яркость может резко изменяться в зависимости от положения планеты на орбите.
Почему особенно важна фаза серпа
Когда планета обращается вокруг своей звезды, наблюдатель с Земли видит разные части её освещённого полушария. При одном положении видна почти вся дневная сторона. При другом планета выглядит как тонкий серп.
Именно вблизи серповидной фазы возникает особенно интересная геометрия для поиска океана. Большая часть видимой стороны планеты находится в темноте, а свет звезды падает на поверхность под большим углом относительно направления наблюдения.
Если на поверхности есть достаточно большой участок жидкой воды, часть света может отразиться от него непосредственно в сторону телескопа. В результате планета будет выглядеть ярче, чем ожидалось бы от поверхности без сильной зеркальной составляющей.
Это и есть океанский блик.
Важно, однако, что телескоп не увидит отдельный «блестящий океан» в привычном смысле. Планета останется неразрешённой точкой. Исследователи должны будут определить характер изменения её отражённого света и сравнить его с моделями планет с океаном и без него.
Такой эффект уже наблюдали в Солнечной системе
Океанский блик не является чисто теоретическим явлением.
Космический аппарат Galileo наблюдал Землю как удалённую планету и зафиксировал признаки отражения света от её океанов. Позднее аппарат Cassini обнаружил зеркальное отражение от поверхности Титана. В случае Титана речь шла не о воде: на его поверхности находятся озёра и моря жидких углеводородов.
Эти наблюдения важны потому, что демонстрируют сам физический принцип. Гладкая жидкая поверхность действительно способна создать направленное отражение, заметное с большого расстояния.
Но перенос метода на экзопланеты значительно сложнее. Земля и Титан наблюдались космическими аппаратами, находившимися внутри Солнечной системы. Экзопланета находится на расстоянии световых лет, а её свет смешан со светом гораздо более яркой звезды.
Поэтому для экзопланет необходимо не просто обнаружить отражение, а определить, соответствует ли его характер именно поверхности жидкости.
Что нового показало моделирование
Предыдущие исследования океанского блика уже показывали, что такой эффект в принципе можно использовать для поиска поверхностной воды. Новая работа была направлена на более реалистичную оценку того, насколько хорошо этот признак можно отличить от других источников изменения яркости планеты.
Одним из важных нововведений стало включение в расчёты не идеально гладкой поверхности океана, а волн. Реальный океан постоянно меняется под действием ветра. Поэтому вода не является идеальным зеркалом: поверхность состоит из множества наклонённых участков, каждый из которых отражает свет в немного другом направлении.
Для моделирования этого эффекта исследователи использовали модель Cox—Munk, применяемую для описания отражения света от взволнованной водной поверхности. Её включили в инструмент rfast, предназначенный для расчётов прохождения и отражения света в атмосферах планет.
Это важное уточнение. Если бы океан рассматривался как абсолютно гладкое зеркало, оценка его обнаружимости была бы слишком идеализированной. В реальности ветер и волны должны уменьшать и перераспределять зеркальное отражение.
Почему волны не уничтожают полезный сигнал
На первый взгляд может показаться, что волны должны полностью разрушить океанский блик. На практике происходит другое.
Разные участки взволнованной поверхности имеют разные наклоны. Поэтому отражение распределяется по некоторой области направлений, а не концентрируется в одной идеальной точке. Блик становится более размытым, но полностью не исчезает.
В моделировании исследователи проверили, можно ли отличить планету с океаном от планеты без океана после включения такого реалистичного описания поверхности. Результат оказался положительным для достаточно больших фазовых углов. При фазовом угле более 120 градусов различие между моделями с океаном и без него сохранялось даже при относительно высоком уровне шума в наблюдениях.
Таким образом, океан не должен быть идеально спокойным, чтобы его зеркальное отражение оставалось потенциально обнаружимым.
Это существенно для будущих наблюдений: реальный экзопланетный океан почти наверняка не будет неподвижным гладким зеркалом, и поэтому проверка метода с учётом волн является более реалистичной, чем расчёты для идеальной поверхности.
Фазовый угол в 120 градусов имеет большое значение
Одним из главных результатов работы стало уменьшение требуемого фазового угла.
В более ранних теоретических исследованиях предполагалось, что океанский блик можно уверенно выделить при фазовых углах примерно от 130 градусов. Новое моделирование показывает, что при определённых условиях различие может сохраняться уже при углах более 120 градусов.
На первый взгляд десять градусов могут показаться незначительным изменением. Для прямого наблюдения экзопланет это не так.
Чем ближе планета находится к фазе серпа, тем ближе на небе она оказывается к своей звезде с точки зрения наблюдателя. Это одновременно делает геометрию океанского блика более благоприятной и усложняет задачу подавления света звезды.
Будущая обсерватория должна будет одновременно выполнить два требования: обнаружить чрезвычайно слабый свет планеты и подавить гораздо более яркий свет её звезды. Поэтому возможность работать при несколько меньшем фазовом угле увеличивает пространство допустимых наблюдений.
В атмосфере появляется ещё один полезный эффект
При больших фазовых углах отражённый от поверхности свет проходит через значительную толщину атмосферы. Это приводит к дополнительному изменению его спектра.
Молекулы атмосферы рассеивают коротковолновый свет сильнее длинноволнового. На Земле именно рассеяние Рэлея является одной из причин голубого цвета дневного неба.
Когда свет от океана проходит через длинный путь в атмосфере, синяя составляющая отражённого излучения ослабляется сильнее. В результате зеркальное отражение может приобретать более выраженный красноватый оттенок.
Исследователи называют этот эффект glint reddening — покраснением океанского блика. Он представляет дополнительный признак, который можно использовать вместе с изменением общей яркости планеты.
Это важно потому, что задача поиска океана состоит не в обнаружении одного необычного увеличения яркости. Чем больше независимых особенностей наблюдаемого сигнала согласуется с физической моделью океана, тем надёжнее может быть интерпретация.
Почему облака остаются серьёзной проблемой
Земля показывает, насколько сильно облака способны осложнить подобные наблюдения.
Облака могут полностью закрыть участок океана от прямого наблюдения. Если облачный покров достаточно плотный, свет от поверхности не сможет выйти наружу в направлении телескопа.
Но есть и противоположная проблема. Некоторые типы облаков способны сами рассеивать свет в направлении наблюдателя и создавать изменение яркости, которое может напоминать океанский блик.
Поэтому увеличение яркости планеты в серповидной фазе само по себе не будет однозначным доказательством океана. Необходимо учитывать свойства атмосферы и облаков.
В новом моделировании для аналога Земли использовалось облачное покрытие около 50 процентов. Это позволяет учитывать наличие облаков, но не охватывает все возможные климатические состояния планет.
Другой мир может иметь гораздо более плотную облачность. Он может обладать другой структурой облаков, иным составом атмосферы или совершенно другим климатом. Поэтому результаты нельзя автоматически переносить на любую экзопланету.
Как отличить океан от облачного ложного сигнала
Один из способов — использовать спектральную информацию.
Отражение от жидкой воды и рассеяние в атмосфере имеют разные физические свойства. Поэтому исследователи могут сравнивать изменение яркости на разных длинах волн и проверять, насколько оно соответствует модели океанского отражения.
Кроме того, наблюдения можно проводить в разные моменты орбитального движения планеты. Настоящий океанский блик должен изменяться предсказуемым образом вместе с фазой планеты.
Ещё более информативным может стать сочетание фазовых и временных наблюдений. По мере вращения планеты участки суши могут попадать в область, где должен наблюдаться блик, и закрывать его. Подобная переменность уже рассматривалась в предыдущих исследованиях как способ отличить отражение от океана от других источников изменения яркости.
Таким образом, поиск океана не сводится к одному измерению. Вероятнее всего, потребуется серия наблюдений в разных фазах и диапазонах длин волн.
Что сможет сделать Habitable Worlds Observatory
Habitable Worlds Observatory — это концепция большой космической обсерватории NASA, предназначенной прежде всего для изучения потенциально обитаемых планет у других звёзд.
Проект был рекомендован десятилетним обзором американской астрономии Astro2020. Сейчас HWO находится на ранней стадии концептуальной и технологической разработки. NASA рассматривает его как будущую крупную обсерваторию после космического телескопа Nancy Grace Roman.
Основная задача HWO значительно шире поиска океанов. Предполагается, что обсерватория сможет непосредственно получать изображения потенциально землеподобных планет вокруг близких звёзд и исследовать состав их атмосфер.
В текущей научной концепции одной из ключевых целей является идентификация примерно 25 потенциально обитаемых миров и спектроскопическое исследование их атмосфер. В частности, внимание будет уделяться газам, которые могут быть связаны с биологическими процессами, включая кислород и метан.
Поэтому поиск океанского блика может стать частью более широкой системы диагностики планет.
Почему прямое изображение здесь принципиально важно
Большинство известных экзопланет обнаружено косвенными методами. Например, при транзите планета периодически закрывает небольшую часть диска звезды, а при измерении лучевых скоростей фиксируется гравитационное воздействие планеты на звезду.
Эти методы чрезвычайно эффективны для обнаружения планет, но они не дают прямой информации о том, как выглядит отражённый свет самой планеты.
HWO должна использовать другой подход — высококонтрастную прямую съёмку. Для этого необходимо подавлять свет звезды и выделять значительно более слабое излучение планеты. Именно эта технология является одной из главных инженерных задач будущей обсерватории. NASA отдельно развивает технологии коронографа, сверхстабильной конструкции телескопа и высокочувствительных ультрафиолетовых и видимых инструментов.
Если планета удачно расположена относительно звезды и наблюдателя, её отражённый свет можно будет изучать в разных фазах. Это создаёт условия для поиска океанского блика.
Океанский блик не равен доказательству жизни
Даже если будущий телескоп обнаружит на экзопланете убедительный океанский блик, это не будет означать обнаружение жизни.
Жидкая вода — важнейшее условие для известных нам форм жизни, но сама по себе она не является биологическим признаком. На Земле вода существует в огромных количествах, однако её наличие не говорит, что конкретная поверхность обязательно населена.
Именно поэтому научная программа HWO предусматривает комплексное изучение потенциально обитаемых миров. Помимо возможного обнаружения воды, планируется исследовать атмосферный состав и искать комбинации газов, которые могут быть биологически значимыми.
В случае экзопланеты особенно важно будет сопоставить несколько независимых признаков: наличие подходящей температуры, атмосферу, поверхностную жидкость и химические характеристики среды.
Почему обнаружение океана стало бы важным результатом само по себе
Даже без обнаружения жизни наличие поверхностного океана на другой планете стало бы значительным открытием.
Океан влияет на климат планеты, переносит тепло и взаимодействует с атмосферой и поверхностью. На Земле океаны являются одним из главных факторов, определяющих климатическую систему.
Поэтому прямое свидетельство существования поверхностной жидкой воды позволит перейти от простого подсчёта планет в обитаемой зоне к изучению их реального состояния.
Кроме того, распространённость океанов может дать информацию о формировании планетных систем. Количество воды, её происхождение и способность сохраняться на поверхности связаны с историей формирования планеты, составом её атмосферы и взаимодействием с родительской звездой. Исследования, посвящённые обнаружению поверхностной жидкой воды, рассматривают это не только как вопрос астробиологии, но и как способ изучения формирования и эволюции планет.
Метод пока остаётся компьютерным экспериментом
Несмотря на перспективность результата, важно учитывать его ограничения.
Исследователи не наблюдали океан на конкретной экзопланете. Они создали модель планеты и проверили, насколько характерный сигнал от её океана можно отличить от сигнала планеты без океана при заданных характеристиках наблюдений.
Такие расчёты необходимы для проектирования будущих телескопов. Они позволяют определить, какая геометрия наблюдений, чувствительность и точность измерений потребуются для решения конкретной научной задачи.
Однако реальная экзопланета может оказаться существенно сложнее модели. У неё может быть больше облаков, другая атмосфера, необычная поверхность, несколько типов льда, континенты или отсутствие суши. Даже свойства самого океана могут отличаться от земных.
Кроме того, обнаружение слабого изменения яркости потребует отделить его от инструментального шума и других астрофизических эффектов.
Поэтому результат следует понимать как демонстрацию потенциальной наблюдаемости метода, а не как готовую процедуру обнаружения океанов, которую уже можно применять к данным существующих телескопов.
Что понадобится для настоящего открытия
Чтобы утверждать, что на далёкой планете действительно существует океан, одного необычного блика будет недостаточно.
Потребуется показать, что наблюдаемое изменение яркости согласуется с зеркальным отражением от большой области жидкой поверхности. Затем необходимо исключить альтернативные объяснения — прежде всего влияние облаков, атмосферы, льда и особенностей рассеяния света.
Особенно полезной будет повторяемость сигнала. Если яркость планеты изменяется вместе с её орбитальной фазой именно так, как предсказывает модель океанского отражения, это существенно усилит интерпретацию.
Дополнительную информацию даст спектр. Различия между отражением поверхности и рассеянием атмосферой можно использовать для проверки того, действительно ли источник сигнала находится у поверхности планеты.
Наконец, наиболее убедительным станет сочетание океанского блика с другими характеристиками потенциально обитаемого мира. Именно комплексный анализ, а не один отдельный признак, должен позволить оценить наличие поверхностной воды с необходимой надёжностью.
Человечество уже умеет находить планеты у других звёзд и измерять некоторые свойства их атмосфер. Следующий этап — определить, насколько эти миры похожи на Землю не по размеру или расстоянию до звезды, а по реальным физическим условиям.
Океанский блик даёт для этого необычный инструмент. Вместо попытки непосредственно увидеть море телескоп ищет изменение отражения света, которое создаёт большая гладкая жидкая поверхность.
Новая модель показывает, что даже взволнованный ветром океан может оставлять заметный сигнал. При фазовом угле более 120 градусов различие между планетой с океаном и планетой без него сохранялось в расчётах при достаточно высоком уровне шума. Это несколько расширяет геометрические возможности будущих наблюдений по сравнению с прежней оценкой около 130 градусов.
Habitable Worlds Observatory пока остаётся будущей обсерваторией, находящейся на стадии концептуальной и технологической разработки. Но именно такие исследования помогают определить, какие возможности должны быть заложены в её конструкцию. NASA уже развивает технологии, необходимые для высококонтрастного наблюдения потенциально обитаемых экзопланет.
Если эта технология будет реализована, а подходящие экзопланеты окажутся достаточно близкими и удачно расположенными, астрономы смогут искать один из наиболее важных признаков земноподобного мира — не просто присутствие воды в его атмосфере, а непосредственно признаки больших объёмов жидкой воды на поверхности.
Это не означает, что первый океан на экзопланете будет обнаружен сразу после запуска новой обсерватории. Для такого открытия должны одновременно совпасть чувствительность телескопа, расстояние до системы, геометрия орбиты, облачность и свойства самой планеты. Но возможность искать океаны по их отражённому свету превращает поверхность далёких миров из практически недоступной области исследований в задачу, которую можно планировать количественно и проверять с помощью будущих наблюдений.
Источники:
Статья создана по материалам UniverseToday.com
