Учёные предложили способ обнаружить океаны на экзопланетах по их «блеску»

Учёные обнаружили более 5500 экзопланет, десятки из которых находятся в потенциально обитаемых зонах своих звёзд — там, где теоретически могут существовать жидкие океаны. Однако до сих пор ни один океан на другой планете не был подтверждён. Новое исследование предлагает способ это изменить.

Как работает метод «блеска»

Исследователи Элеонор Корниш и Тайлер Робинсон из Университета Аризоны предложили искать океаны, обнаруживая их «блеск» — явление, которое физики называют зеркальным отражением. На Земле это видно на пляжах, когда солнечный свет попадает на воду под низким углом и горизонт вспыхивает золотистым блеском.

Вода, в отличие от песка, скал и почвы, отражает свет как зеркало. Когда свет падает на водную поверхность под острым углом, он отражается направленно. На экзопланете такой угол возникает во время её серповидной фазы — когда мы видим в основном ночную сторону планеты с тонким освещённым краем. В этот момент звёздный свет отражается прямо в телескоп, и планета резко становится ярче.

Явление уже наблюдалось в Солнечной системе

Метод не является чисто теоретическим. В 2009 году космический аппарат Cassini обнаружил зеркальное отражение от углеводородных озёр на поверхности Титана. Десятилетиями ранее группа исследователей, включая Карла Сагана, использовала пролёт Galileo мимо Земли, чтобы заметить блеск, отражающийся от наших океанов. Таким образом, мы знаем, что это возможно, но для экзопланет это никогда не было сделано.

Ключевой угол наблюдения — 120 градусов

Корниш и Робинсон модифицировали инструмент анализа атмосферы под названием rfast, встроив модель Cox–Munk, которая описывает, как скорость ветра и волны влияют на отражение света. Исследование показало, что даже при высоком уровне шума модель может различить планеты с океанами и без них, если их наблюдать под углом фазы более 120 градусов.

При углах выше 120 градусов происходит явление, называемое «покраснением блеска». Звёздный свет, скользящий по поверхности океана, проходит намного длиннее через атмосферу планеты. При этом он подвергается рэлеевскому рассеянию — атмосферному эффекту, который рассеивает синий свет и делает наше небо голубым. К моменту достижения телескопа большая часть синих волн удаляется, остаётся в основном красное излучение.

Преимущество для обсерватории Habitable Worlds Observatory

Это открытие важно для разработчиков обсерватории Habitable Worlds Observatory (HWO) NASA. Ранние теоретические работы предполагали, что блеск океана можно наблюдать только при угле 130 градусов. Больший угол означает, что планета должна быть ближе к своей звезде во время наблюдения. Поскольку блокирование света от звезды — одна из главных проблем для конструкторов HWO, дополнительные 10 градусов рабочего диапазона дают больше возможностей.

Облака — главное препятствие

Исследование указывает и на ограничения метода. Облака — наиболее очевидное из них. В симуляциях учёные предположили 50-процентное облачное покрытие для планеты, подобной Земле. Однако в Солнечной системе есть примеры планет с гораздо более плотным облачным покровом. Облака могут либо полностью скрыть океан, либо, в некоторых формах, таких как высокие перистые облака, рассеивать звёздный свет в сторону телескопа, имитируя блеск там, где его нет.

Существуют способы различить эти случаи, включая анализ полос поглощения газов и жидкостей, но это показывает сложность поиска океана на планете в световых годах от нас.

Нужны данные наблюдений Земли

Исследователи отмечают, что у нас даже нет много данных о Земле, когда она находится в серповидной фазе. Однако предоставление таких данных в качестве обучающего набора будет критически важно, если этот инструмент должен помочь учёным HWO понять, что они наблюдают.

Работа Корниш и Робинсона была размещена как препринт на arXiv и отправлена в журнал The Astrophysical Journal. Это данные исследования, а не окончательное подтверждение метода.