Атмосферы экзопланет представляют собой газовые оболочки, окружающие планеты за пределами Солнечной системы, и играют ключевую роль в формировании их климата, эволюции и потенциальной обитаемости. Изучение таких атмосфер основано на наблюдательных методах, включающих спектроскопию во время транзитов, эмиссионный спектральный анализ, фазовые кривые яркости и прямые изображения. Атмосферы экзопланет демонстрируют значительное разнообразие по химическому составу, температуре, плотности и структуре.
Первичные атмосферы формируются из газов протопланетного диска и состоят преимущественно из водорода и гелия. Эти атмосферы характерны для массивных газовых гигантов (например, горячих юпитеров), способных удерживать легкие газы.
Вторичные атмосферы возникают вследствие вулканической активности, ударов метеоритов, дегазации или биологических процессов. Они могут содержать углекислый газ, водяной пар, аммиак, метан и другие более тяжёлые молекулы. Такие атмосферы свойственны маломассивным планетам земного типа.
Атмосферы экзопланет делятся на слои, аналогичные слоям земной атмосферы: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера и экзосфера. Однако точные границы и наличие этих слоёв зависят от внешних условий и химического состава.
Температурные инверсии наблюдаются на некоторых горячих юпитерах: температура с высотой сначала падает, но затем возрастает. Это может быть вызвано присутствием молекул, активно поглощающих ультрафиолетовое или видимое излучение (например, оксида титана или ванадия).
Давление в верхней атмосфере может варьироваться от миллибар до нанобар, в зависимости от плотности, радиационного давления и потерь вещества.
Состав атмосферы определяет её спектральные характеристики и термодинамические свойства. Основные молекулы, обнаруженные в атмосферах экзопланет:
Наблюдения также позволяют судить о соотношении углерод/кислород (C/O), которое критически влияет на формирование силикатной или карбидной минералогии поверхности и состава облаков.
Интенсивное излучение от звезды, особенно в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах, приводит к фотоиспарению атмосферы, особенно у планет, находящихся на малых орбитальных расстояниях. Газовые потоки формируют хвосты, аналогичные кометным, что наблюдается, например, у планеты HD 209458 b.
Основные механизмы потери атмосферы:
Формирование облаков и туманов — важный фактор, влияющий на альбедо и спектры экзопланет. В зависимости от температуры могут формироваться облака из:
Туманы на основе сложных углеводородов, аналогичные титановых, могут маскировать спектральные линии, затрудняя определение состава.
Наличие облаков существенно изменяет видимую и инфракрасную кривую блеска планеты и может приводить к заниженной оценке атмосферных компонентов при интерпретации спектров.
Наиболее продуктивные методы исследования атмосфер экзопланет:
1. Транзитная спектроскопия (transmission spectroscopy): Во время прохождения планеты по диску звезды часть света проходит сквозь атмосферу и подвергается селективному поглощению. Анализируя изменение спектра, можно определить наличие определённых молекул и оценить высоту атмосферы.
2. Эмиссионная спектроскопия (secondary eclipse spectroscopy): При погружении планеты за звезду измеряется разность яркости, что позволяет выделить инфракрасное излучение самой планеты и восстановить её температурную карту.
3. Спектроскопия фазовых кривых: Изменение яркости планеты по мере её орбитального движения помогает моделировать распределение температуры, облачности и альбедо по долготе.
4. Прямое изображение: Позволяет изолировать свет планеты от света звезды и получить спектр, особенно в случае молодого и яркого в инфракрасном диапазоне объекта. Наиболее применимо к массивным, удалённым от звезды планетам.
Многие экзопланеты находятся в приливном захвате, вследствие чего одна сторона постоянно обращена к звезде. Это вызывает резкие температурные контрасты между дневной и ночной сторонами и приводит к интенсивным ветрам и переносу тепла. У горячих юпитеров ветры могут достигать скоростей в несколько километров в секунду.
Моделирование атмосфер с использованием трёхмерных гидродинамических симуляций показывает, что существует обширная циркуляция, включающая экваториальные струи, полярные вихри и транспорт химических веществ между слоями атмосферы.
Для планет земного типа особый интерес представляют так называемые биосигнатуры — молекулы, указывающие на возможную биологическую активность. Основные кандидаты:
Однако важно различать биосигнатуры от лжебиосигнатур, возникающих вследствие вулканической активности или фотохимических реакций без участия жизни. Необходима комплексная интерпретация наблюдаемых данных в контексте модели климата, геохимии и облучения.
На сегодняшний день атмосферы экзопланет исследуются с помощью космических обсерваторий, таких как:
Будущие миссии, такие как ARIEL (ESA), Twinkle и проекты наземных телескопов нового поколения (ELT, TMT, GMT), позволят проводить массовые спектроскопические исследования сотен атмосфер экзопланет и систематизировать их свойства в зависимости от массы, орбиты и типа родительской звезды.
Атмосферы экзопланет, как уникальные лаборатории, дают возможность не только понять процессы, формирующие планетные системы, но и приблизиться к ответу на фундаментальный вопрос о существовании жизни вне Земли.