Родительские звезды могут искажать данные об экзопланетах

С 1990-х годов астрономы открыли почти шесть тысяч экзопланет. Большинство из них обнаружили транзитным методом: когда тело проходит на фоне звезды, ее яркость временно изменяется, что и говорит о наличии экзопланеты. Анализируя изменения в спектре света, ученые определяют размеры объекта, температуру и состав атмосфер. 

Однако звезды — не стабильные шары. Их поверхность покрывают «холодные» и темные зоны — пятна, наподобие солнечных, а также горячие яркие области, которые меняются под влиянием магнитных полей. Эти «узоры» искажают свет, который проходит через атмосферу экзопланет, то есть могут вызывать «шумы» в данных. Астрономы, возможно, десятилетиями не замечали ошибок в потоках информации, присланных космическими телескопами.

Международная команда астрономов под руководством Арианны Саба (Arianna Saba) из Университетского колледжа Лондона (Великобритания) проверила архивные данные 20 экзопланет, собранных орбитальной обсерваторией «‎Хаббл». Исследователи повторно проанализировали спектры атмосфер этих миров в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном диапазонах, используя два ключевых инструмента космической обсерватории: Space Telescope Imaging Spectrograph (STIS, спектрограф для видимого и УФ-света) и Wide Field Camera 3 (WFC3, для ближнего инфракрасного диапазона). Оказалось, у половины экзопланет данные о температуре и составе атмосфер были искажены активностью их родительских звезд.

На поверхности звезды встречаются области, где магнитные поля усиливают светимость. Эти области называют «факелами» — они светлее поверхности звезды, то есть светят ярче обычного. Если планета проходит на фоне «факела», она закрывает этот «прожектор», и кажется, что звезда резко тускнеет (ведь она на время «‎теряет» яркий участок). В этот момент ученые ошибочно предполагают, что раз яркость светила столь сильно упала, значит, экзопланета, — большая, или у нее плотная атмосфера, которая тоже блокирует свет.  

Напротив, темные холодные пятна — зоны, где температура плазмы намного ниже средней температуры поверхности звезды — уменьшают яркость. Это место и так выглядит тусклее, но когда космическое тело проходит над пятном и закрывает его, общее падение яркости может быть почти незаметно. В результате ученые недооценивают размер экзопланеты, ведь светимость практически не изменилась, поэтому, как полагают исследователи, экзопланета должна быть маленькая. Иногда астрономы вообще не видят объект — сигнал настолько слабый, что его принимают за помехи.

Если яркость звезды искажена «факелами», расчеты покажут, что атмосфера космического объекта поглощает больше тепла, чем есть на самом деле. Проанализировав 20 экзопланет, команда Саба выяснила, что как минимум в шести случаях ошибка температуры атмосфер экзопланет составила 145 процентов, а концентрации молекул — в миллион раз.

Например, если реальная температура атмосферы экзопланеты плюс 100 градусов Цельсия, из-за «‎факела» научные приборы телескопа могли показать плюс 245 градусов (на 145 процентов больше, чем есть на самом деле). Или наоборот: если участок светила был тусклее из-за пятен, температура казалась намного ниже. 

Ученые наблюдают за тем, как свет звезды проходит через атмосферу экзопланеты, когда та движется между светилом и наблюдателем (космическим телескопом). Это похоже на то, как солнце светит через стакан с водой: если в воде есть примеси, свет изменит свой цвет или яркость.  

В том случае, если в атмосфере объекта есть вода или углекислый газ, свет на определенных длинах волн будет поглощаться, оставляя «отпечаток» в спектре (как радуга, разложенная на цвета).

Если данные искажаются, ученым может показаться, что в атмосфере в миллион раз больше воды или углекислого газа. На деле это просто «шум» от активной звезды. Например, в атмосфере экзопланеты есть 10 молекул воды на кубический метр. Из-за искажений приборы могли зафиксировать либо 10 миллионов молекул (в миллион раз больше), либо 0,00001 молекулы (в миллион раз меньше). 

Такие ошибки в отчетах ученых могут превратить планету-океан в безжизненную пустыню — или наоборот. Если приборы завысили концентрацию кислорода, можно неверно решить, что планета обитаема. Или если занизили температуру — пропустить потенциально пригодный для жизни мир.

Чтобы понять масштаб проблемы, Саба и ее коллеги применили байесовский статистический метод и ряд статистических моделей. Это помогло отделить «‎сигнал» планет от звездного «шума». 

Ученые поняли, что из 20 экзопланет, изученных «‎Хабблом», шесть имели критические искажения, еще шесть — умеренные. Например, планета, которую считали «горячим гигантом», на деле может быть меньше и холоднее. Это ставит под сомнение десятки научных работ, опубликованных до выхода исследования команды Саба, особенно тех, в которых не хватало данных, полученных на основе наблюдений в оптическом или УФ-диапазонах.

По мнению исследователей, чтобы избежать ошибок в будущем, необходимо комбинировать различные методы наблюдения. Во-первых, применять мультиспектральный подход: наблюдать экзопланеты одновременно в разных диапазонах. Например, комбинировать данные орбитальных телескопов «‎Хаббл» (УФ, видимый свет) и «‎Джеймс Уэбб» (инфракрасный). Во-вторых, необходимо проводить повторные наблюдения: если спектры одной планеты, снятые в разное время, различаются, причина может крыться в звезде. В-третьих, использовать новые алгоритмы, которые автоматически учитывают активность звезд.

Теоретически в ближайшие годы ситуацию могут исправить новые космические телескопы. Среди них — атмосферный инфракрасный исследователь экзопланет дистанционного зондирования ARIEL (инструмент ESA, запуск запланирован на 2029 год). Это первый аппарат, который изучит атмосферы 1000 экзопланет в инфракрасном спектре. Но Саба полагает, что даже выводы этой орбитальной обсерватории будут неточными без данных оптического диапазона. 

На помощь может прийти спектрометр Twinkle (запуск планируется на 2025 год) — прибор для видимой и инфракрасной спектроскопии, установленный на небольшом спутнике по изучению экзопланет, звезд, протопланетных дисков и объектов Солнечной системы. Задача инструмента — быстро проверять подозрительные объекты, чтобы отсеять «ложные планеты». Он сможет фильтровать звездный «шум», что позволит очистить данные от помех.

Новое исследование опубликовано в журнале The Astrophysical Journal Supplement Series.