Команда астрономов под руководством Элизабет Мэттьюс из Института астрономии Общества Макса Планка (MPIA) сделала открытие, которое полностью закрывает последнее теоретическое предположение моделей атмосфер экзопланет. На далекой экзопланете Epsilon Indi Ab, по своим физическим характеристикам напоминающей Юпитер, были обнаружены облака из водяного льда. Методика проведения этих наблюдений имеет важное значение для всей области астрофизики, так как дальше человечеству откроется этап на пути к поиску и детальному изучению планет земного типа.
По словам планетологов, глобальная цель изучения экзопланет заключается в том, чтобы в ближайшие десятилетия научиться фиксировать их биосигнатуры, то есть химические или физические признаки наличия жизни. На пути к этой цели астрономическая наука уже прошла через несколько стадий. На первом этапе, охватывающем период с 1995 по 2022 год, основные усилия учёных были сосредоточены на поиске как можно большего числа новых миров. Для этого применялись косвенные методы, в первую очередь, метод лучевых скоростей и транзитный метод. Они позволяли определить массу, диаметр или, в некоторых случаях, оба параметра экзопланет.
В 2022 году с началом полноценной работы космического телескопа "Джеймс Уэбб" (JWST) начались исследования по второму этапу. В распоряжении научного сообщества появились высококачественные спектроскопические данные об атмосферах множества планет, что позволило приступить к детальной реконструкции их химического состава и физических свойств. Однако это всё ещё как минимум на один шаг отстоит от реального поиска внеземной жизни, для которого потребуются космические обсерватории следующего поколения.
В рамках нового исследования астрономы тестируют инструментарий, который будет применяться на третьем этапе, хотя объектом их изучения пока выступает планета, не похожая на Землю. Элизабет Мэттьюс, ведущий автор работы, отмечает:
"Телескоп JWST наконец-то позволяет нам детально изучать планеты, являющиеся аналогами объектов нашей Солнечной системы. Если бы мы были наблюдателями, находящимися в нескольких световых годах отсюда и смотрящими в сторону Солнца, JWST стал бы первым инструментом, позволившим подробно изучить Юпитер. Но для аналогичного изучения Земли потребовались бы гораздо более совершенные телескопы".
Несмотря на впечатляющие возможности JWST, исследование аналогов Юпитера оказалось неожиданно сложной задачей. Почти все газовые гиганты, изученные телескопом, существенно отличаются от нашего Юпитера в плане температуры. Все они намного горячее. Это связано с ограничениями транзитного метода, наиболее распространённого способа изучения атмосфер экзопланет. Чтобы телескоп смог зафиксировать спектр атмосферы, планета должна пройти прямо перед диском своей родительской звезды. Вероятность такого события с точки зрения земного наблюдателя геометрически выше для планет, расположенных на очень тесных орбитах, что неизбежно приводит к их сильному нагреву излучением звезды. В новом исследовании применяется принципиально иная техника - метод прямых изображений. На сегодняшний день это максимальное приближение к изучению истинного аналога Юпитера, которое уже преподнесло исследователям как минимум один сюрприз.
Для получения прямых изображений планеты Epsilon Indi Ab учёные использовали прибор среднего инфракрасного диапазона MIRI (Mid-Infrared Instrument), установленный на JWST. Согласно правилам астрономической номенклатуры, это название указывает на первую планету, обнаруженную на орбите звезды Эпсилон Индейца (Epsilon Indi A) в южном созвездии Индеец. Бхавеш Раджпут, аспирант MPIA и соавтор исследования, поясняет:
"Масса этой планеты значительно превышает массу Юпитера, новые данные оценивают ее в 7,6 юпитерианских масс, однако её диаметр приблизительно равен диаметру нашего газового гиганта".
Орбита Epsilon Indi Ab находится примерно в четыре раза дальше от своей звезды, чем орбита Юпитера от Солнца. Сама звезда Эпсилон Индейца несколько уступает нашему светилу как по массе, так и по температуре. Вследствие этого равновесная температура Epsilon Indi Ab весьма низка и составляет около 200–300 кельвинов (от −70 до +20 градусов Цельсия). Тот факт, что планета всё же несколько теплее Юпитера, чья температура составляет около 140 кельвинов, объясняется гравитационным сжатием. Массивная планета всё ещё излучает тепловую энергию, оставшуюся со времен своего формирования. В течение следующих миллиардов лет Epsilon Indi Ab будет неуклонно остывать и в конечном итоге станет холоднее газового гиганта из Солнечной системы.
Для регистрации слабого излучения планеты астрономы задействовали коронограф инструмента MIRI. Это специальное оптическое устройство, блокирующее яркий свет центральной звезды, способный в противном случае полностью засветить изображение. Съемка велась через узкополосный фильтр, настроенный на длину волны 11,3 мкм. Эта спектральная линия находится непосредственно за пределами диапазона 10,6 мкм, где расположена характерная полоса поглощения молекул аммиака (NH3). Сравнение новых данных с изображениями на длине волны 10,6 мкм, которые команда Мэттьюс получила ранее в 2024 году, позволило оценить концентрацию аммиака в атмосфере экзопланеты.
В верхних слоях атмосферы Юпитера, доступных для наблюдений, преобладают газообразный аммиак и аммиачные облака. Опираясь на физические характеристики Epsilon Indi Ab, астрономы предполагали наличие в её атмосфере значительного количества аммиака в газообразном состоянии, но не прогнозировали увидеть формирование облаков. Однако фотометрический анализ неожиданно выявил заметный дефицит аммиака по сравнению с теоретическими прогнозами. Наиболее правдоподобным объяснением этой аномалии, по мнению авторов исследования, является присутствие плотных, но фрагментированных (разорванных) облаков из водяного льда. По своей структуре они могут напоминать высотные перистые облака в атмосфере Земли.
При интерпретации подобных данных астрономы сверяют результаты спектроскопии с компьютерными симуляциями планетных атмосфер. Проблема заключается в том, что большинство опубликованных на сегодняшний день физических моделей не учитывают формирование облаков, так как динамика аэрозолей радикально усложняет вычислительные процессы. Теперь физикам-теоретикам предстоит устранить этот пробел. Джеймс Манг из Техасского университета в Остине, соавтор исследования, резюмирует:
"Это прекрасная работа, которая наглядно демонстрирует масштаб прогресса, достигнутого благодаря JWST. То, что когда-то казалось невозможным, теперь находится в пределах нашей досягаемости. Мы можем исследовать структуру этих атмосфер, включая наличие облачного покрова. Это раскрывает новые уровни усложнения, которые наши модели только начинают подтверждать, и открывает путь к ещё более детальному описанию этих холодных и далёких миров".
Обнаружение ледяных облаков открывает новые перспективы для наблюдений благодаря их высокой отражательной способности (альбедо). Космический телескоп имени Нэнси Грейс Роман (Nancy Grace Roman Space Telescope) планируется к запуску в 2026–2027 годах. Его оптические характеристики идеально подходят для прямого наблюдения подобных атмосфер.