Атмосферы экзопланет: что известно и что предстоит узнать?

астрономии РАН, Москва

КФУ, Казань, 2 октября 2019 г.

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.

Экзопланеты: образование и эволюция

Наша Солнечная система

на расстоянии в 2545 световых лет. Планета Kepler-90i открыта в

декабре 2017 г.

Экзопланеты: образование и эволюция

Наша Солнечная система

в радиусах Земли
Справа: показаны расстояние до звезды в а.е. и

масса планеты в массах Земли

Экзопланеты: статистика

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%).

~150 000 звезд;
Открыто более 5000 кандидатов в экзопланеты, более

половины из которых подтверждено другими методами наблюдений;
Расширенная миссия К2 2014-2017.

Экзопланеты: КТ Кеплер

Расстояние от Солнца в а.е.

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 ), относительно удаленные от звезды.

обитаемости своих родительских звезд

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 расположены в зоне потенциальной обитаемости родительской звезды!

- измерения радиальных скоростей;

- фотометрия транзитов.


2. Характеристики планет: на что похожи экзопланеты?
- спектроскопия транзитов;
- прямые изображения планет;
- внутреннее строение и
атмосферы планет.


«Тусклые голубые точки»: Обитаемы ли экзопланеты? Есть ли признаки жизни?
- спектроскопия транзитов;
- прямые изображения планет;
- эволюция планетных атмосфер;
- биомаркеры.

- определить среднюю
плотность планеты - каменные,
ледяные или газовые

планеты!
Общие тенденции: большое
разнообразие планет по сравнению с Солнечной системой; горячие планеты-гиганты, «раздутые» планеты-гиганты, 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; - ….

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.

зависимости от расстояния до звезды (до 30 а.е.) и радиусов

планет. График предполагает непрерывное распределение размеров планет - от суб-земель до супер-юпитеров.

0.1—0.2 μm

0.3–1.7 μm 3.0–24 μm

HST

JWST

Spitzer IR ST

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?

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,…)

WASP-12b

HD209458 b

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, либо незамкнутой, и существенно несимметричной.

Тэ = 6000 – 8000 К

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).

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
(R < 1.8RE ) и суб-нептуны и водные миры (R >2.0RE).

Пустыня горячих нептунов

Ущелье фотоиспарения

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.

более
холодных областях
околозвездных
дисков, где
присутствует
большая часть
газа,

пыли и льдов.
Миграция
доставляет
значительную
часть планет
ближе к звезде.

Экзопланеты: эволюция атмосфер

после образования плотной паровой атмосферы в течение процесса затвердевания океана

магмы.

с N2-CO2-H2O атмосферами;
Темно-голубым – расширенная зона для планет в

переходной области от каменистых к суб-нептунам.

то содержание О2 уменьшится
экспоненциально до

лет.
Предлагается поиск подобных Земле экзопланет с О2 и СН4 в качестве
биомаркеров.

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).

– 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.

нужные диапазоны длин волн для наблюдений (Meadows, 2016).

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
УФ излучения

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!