Лунное затмение позволило взглянуть на Землю как на экзопланету

Частное лунное затмение 16 августа 2008 года. Слева вверху: эволюция затмения. Справа вверху: изображение Луны, сделанное в 21:00 по всемирному времени (в максимальную фазу затмения). Внизу: прохождение солнечного излучения во время затмения через земную атмосферу до и после отражения от Луны (масштаб не соблюден). Учитывая радиус Земли и средние расстояния от Земли до Солнца и от Земли до Луны, солнечный свет, прошедший через земную атмосферу, чтобы достичь центра земной тени, должен преломиться под углом менее 2°. Во время наблюдений затмения авторы не зафиксировали углов преломления больше, чем 0,5° — то есть лучи шли практически параллельно, как и в случае транзита через атмосферу внесолнечных планет. Изображение из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в Nature

Испанские астрофизики опубликовали результаты любопытного эксперимента, который, как они утверждают, увеличивают шансы успешного поиска внесолнечных планет с органической жизнью. Полученный ими спектр солнечного излучения, прошедший через атмосферу Земли и отраженный от Луны, содержал подписи молекулярного кислорода, озона, водяного пара, метана и углекислого газа.

Этот эксперимент был выполнен с помощью спектроскопической аппаратуры телескопа «Гершель» (William Herschel Telescope) и Северного оптического телескопа (Nordic OpticalTelescope), установленных в обсерватории Рок-де-лос-Мучачос (Roque de los Muchachos Observatory) на канарском острове Ла Пальма.

Сейчас в астрономические каталоги внесено свыше 350 внесолнечных планет, и это число непрерывно растет. Примерно каждая шестая экзопланета в своем орбитальном движении периодически проходит между своей звездой и Землей и в это время частично перекрывает звездное излучение (такие планеты называют транзитными). В это время незначительная доля звездного света сначала пронизывает планетную атмосферу, а затем возвращается в открытый космос. В результате в нём появляются линии поглощения атмосферных газов, которые иногда удается зарегистрировать на Земле. Таким способом в 2007 году в атмосфере высокотемпературной газовой планеты-гиганта («горячего Юпитера») HD 189733b были обнаружены водяные пары, а в 2008-м — метан и двуокись углерода.

Конечно, «горячие Юпитеры» не слишком перспективны в плане поисков космической жизни. Для этого куда больше подходят каменистые тела земного типа с приемлемой температурой поверхности и атмосферы. Многие астрономы надеются, что уже в следующем десятилетии в атмосфере хотя бы одной-двух таких планет будут найдены молекулы кислорода, воды и простейших органических соединений.

Однако здесь возникает вполне очевидная проблема. Степень уменьшения светового потока пропорциональна квадрату отношения линейных размеров затмевающей планеты и затмеваемой звезды. Если диаметр планеты равен одной десятой диаметра звезды (таково соотношение геометрических параметров Юпитера и Солнца), она перекроет один процент звездного света. Планета земных габаритов уменьшит видимую яркость звезды вроде Солнца еще в сто раз слабее, всего лишь на сотую долю процента. Ныне существующая фотометрическая и спектроскопическая аппаратура как наземного, так и космического базирования скорее всего не сможет собрать информацию о составе атмосфер всё еще не открытых экзоземель (единственная известная на сегодняшний день внесолнечная планета приблизительно земного размера слишком горяча, чтобы претендовать на это звание).

Пока даже не ясно, будет ли это по силам гигантскому космическому телескопу имени Джеймса Уэбба, запуск которого намечен на 2014 год. Энрик Палле и его коллеги из Канарского астрофизического института полагают, что будет. Исследователи смоделировали процесс спектроскопического анализа атмосфер транзитных планет с помощью нашего естественного спутника — Луны. Точнее, они выполнили спектральный анализ солнечного света, отраженного от поверхности Луны во время частного лунного затмения 16 августа 2008 года. Это излучение по пути к Луне прошло через земную атмосферу и потому изменило свою спектральную структуру. В ходе анализа испанским ученым удалось вполне надежно выявить в нём спектральные подписи молекулярного кислорода, озона, водяного пара, метана и углекислого газа. И, что самое важное, четкость этих подписей заметно превысила ожидаемые результаты, полученные на основе теоретических вычислений (особенно для метана). Поэтому Палле и его соавторы полагают, что аппаратуру телескопа имени Джеймса Уэбба вполне можно будет настроить на эффективный анализ атмосферного состава внесолнечных планет земного типа.

Авторитетный специалист в этой области Джованна Тинетти из лондонского Университетского колледжа в комментарии к статье испанских коллег даже допустила, что в принципе на такое способен и недавно отремонтированный Космический телескоп имени Хаббла. Правда, в этой связи нельзя не повторить, что поиски экзоземель всё еще не увенчались успехом. Однако недавно к ним подключился новейший космический телескоп Kepler, запущенный с мыса Канаверал 6 марта нынешнего года. Он оснащен чрезвычайно чувствительным фотометром, позволяющим отслеживать транзитные планеты небольших размеров. При умеренном везении к моменту запуска телескопа имени Уэбба «Кеплер» сможет отыскать хотя бы одну экзопланету, реально похожую на Землю.

Остается добавить технические детали. Земная атмосфера пропускает из космоса отнюдь не любые электромагнитные излучения (например, она экранирует почти весь ультрафиолет, рентген и гамма-лучи). Однако она открыта для волн с длинами от 300 до примерно 2500 нанометров — это весь видимый спектр с прилегающими участками ультрафиолета и ближнего инфракрасного диапазона. Все эти излучения рассеиваются на флуктуациях плотности атмосферных газов, размеры которых многократно уступают длинам их волн. Такой тип рассеяния называется рэлеевским. В первом приближении его интенсивность (или, выражаясь формально, эффективное сечение) обратно пропорциональна четвертой степени длины волны света (точная зависимость несколько сложнее). Поэтому кванты коротковолнового участка солнечного излучения рассеиваются в земном воздушном бассейне много сильнее длинноволновых фотонов. Из-за этого небо нам кажется голубым — естественно, когда мы не смотрим на Солнце. По той же причине Земля предстает окрашенной в голубые тона при наблюдении из космоса.

a — спектральные подписи основных составляющих земной атмосферы (полученные авторами при наблюдении частного лунного затмения 16 августа 2008 года); b — сравнение спектра солнечного излучения, прошедшего по касательной через атмосферу Земли и отраженного от Луны (черный цвет), и спектра пепельного света Луны (синий цвет) — то есть спектра отраженного от Земли солнечного света, слабо освещающего неосвещенную Солнцем часть Луны (этот спектр получен ранее той же группой). Спектр электромагнитного излучения Солнца, прошедшего через атмосферу Земли и отраженного от Луны, соответствует спектру, который можно получить при наблюдении (из-за пределов Солнечной системы) прохождения Земли по солнечному диску. Спектр пепельного света Луны соответствует спектру, который можно получить при прямом наблюдении Земли из космоса. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature

Исследователи из группы Палле анализировали солнечный свет на участке от 340 до 2400 нанометров. По пути к Луне он прошел через земную атмосферу «по касательной», так что длина его пути многократно превысила толщину атмосферы. Благодаря рэлеевскому рассеянию его интенсивность в диапазоне от 300 до 600 нанометров сильно упала по сравнению с интенсивностью света, непосредственно отраженного от Земли в космическое пространство (эта разница хорошо видна на нижней диаграмме, где первый спектр представлен черной ломаной линией, а второй — синей; спектральные характеристики непосредственно отраженного от Земли света получены в результате анализа пепельного света Луны). Из-за этого наиболее четкие пики поглощения воды, кислорода, метана и двуокиси углерода были зарегистрированы на длинах волн, превышающих 1000 нанометров (верхняя диаграмма).

Насколько представителен этот эксперимент? Как считают авторы работы в Nature, собранные ими данные позволяют рассчитывать, что космическая платформа с возможностями инфракрасного телескопа имени Джеймса Уэбба сможет идентифицировать пики этого типа при спектральном анализе излучения землеподобных транзитных планет, обращающихся вокруг звезд в радиусе 30 световых лет от Солнца. При этом делу сильно поможет, если сами звезды окажутся красными карликами спектрального класса М (тогда экранирующий эффект транзитной планеты достигнет максимума, что позволит легче выделить сигналы атмосферных газов). Палле и его коллеги утверждают, что в этом случае сигналы можно будет зарегистрировать уже после наблюдения двадцати-тридцати планетных транзитов.

Источник: Enric Pallé, María Rosa Zapatero Osorio, Rafael Barrena, Pilar Montañés-Rodríguez, Eduardo L. Martín. Earth's transmission spectrum from lunar eclipse observations // Nature. 2009. V. 459. P. 814–816. Doi:10.1038/nature08050.

Алексей Левин