Как слънчевите затъмнения могат да ни помогнат да изследваме далечни екзопланети?

Пълното слънчево затъмнение, наблюдавано от някои щати в Северна Америка на 8 април 2024 г., беше зашеметяващо и запомнящо се събитие. Затъмненията обаче не са ценни само заради визуалното им въздействие, но и са в основата на наблюдателната астрономия.

Затъмненията могат да ни разкажат много за екзопланетите (далечни планети извън нашата Слънчева система). Откакто първата екзопланета e открита през 1992 г., астрономите са идентифицирали повече от 5600 свята, обикалящи около звезди, различни от Слънцето. Те използвалт различни мощни космически и наземни телескопи, за да ги наблюдават.

Слънчево затъмнение настъпва, когато Луната премине между Земята и Слънцето. Въпреки че Слънцето е 400 пъти по-голямо от Луната, то е и около 400 пъти по-далеч от нея спрямо Земята. Ето защо изглежда, че двата обекта са с еднакъв размер в небето. Когато настъпи затъмнение и Луната закрие Слънцето, около ръба на слънчевия диск остава видима една красива особеност, наречена „корона“.

Нещо подобно се случва, когато погледнем към далечна звезда, около която обикаля планета. Ако условията са подходящи, екзопланетата ще премине видимо между нас и нейната звезда. Този процес се нарича пасаж. Въпреки това, тъй като планетата е много по-малка от своята звезда и те са много по-близо една до друга, отколкото са до нас, планетата ще изглежда по-малка от звездата и няма да я блокира напълно, както се случва при пълното слънчево затъмнение.

Пасаж на екзопланета пред нейната звезда

Тези звезди са толкова отдалечени, че дори и с най-прецизните телескопи те изглеждат като малки светлинни точки. По време на пасаж, тези малки светлинни точка се затъмняват за няколко часа, след което се връщат към обичайната си светимост. Ако екзопланетата, която преминава пред звездата, има атмосфера, малко количество звездна светлина ще бъде филтрирано през нея преди да достигне телескопа. Когато тази филтрирана светлина достигне до нас, тя може да бъде спектрално разделена на различни цветове. Този спектрален анализ ни показва какви химични елементи се съдържат в атмосферата ѝ.

Всеки елемент има склонността да абсорбира и излъчва специфичен диапазон в спектъра на светлината, което отговаря на конкретен цвят. Например, старите улични лампи имат отличителен оранжев цвят, който е характерен за натрия – металът, с чийто газ са пълни те. Ако направим спектрален анализ на светлината от такава улична лампа, ще видим натриев подпис.

По същия начин химическите съединения в атмосферата на планетата отпечатват своите сигнатури върху звездната светлина, филтрирана през тях. Това позволява на астрономите да оценят състава на атмосферата, като изследват нейния спектър.

Атмосферата на Земята разпръсква синя светлина, което кара небето да изглежда синьо. Остатъчната червена светлина е отговорна за това, че Слънцето изглежда червено, когато изгрява и залязва, и за ефекта на „кървавата Луна“, при който Луната става оранжево-червена по време на лунно затъмнение (където Земята минава между Слънцето и луната). Ако бяхме на Луната по време на такова събитие, бихме могли да използваме спектралната техника за измерване на земната атмосфера.

Космическият телескоп James Webb (JWST) на NASA и планираният космически телескоп Ariel на Европейската космическа агенция (ESA) са сред малкото достатъчно чувствителни инструменти за откриване и измерване на атмосферите на екзопланети.

Астрономите ще търсят биомаркери в атмосферите на екзопланети

Характеризирането и сравняването на тези атмосфери може да ни даде много информация за далечните планетарни системи. До 90-те години имахме само един пример – Слънчевата система. Освен това астрономите ще търсят биомаркери в атмосферите на тези планети.

Биомаркерите са потенциалните химически подписи на живота. Например, кислородът съставлява малко над 20% от земната атмосфера и се произвежда от растенията. Чрез изучаване на потенциални биомаркери в атмосферата на екзопланета, астрономите могат да открият доказателства за извънземен живот.

Вероятно обаче ще има дебат относно някои от получените резултати. Миналата година екип от астрономи обяви предварителни данни за химикал, наречен диметил сулфид, в спектъра от екзопланетата K2-18b. На Земята този химикал се отделя от морския планктон. Много астрономи обаче чакат последващи наблюдения на тази планета, преди да направят категорични заключения.

Оставащо предизвикателство около изследването на екзопланетите е несигурността във времето на затъмненията или пасажите. Взаимодействията с други планети и други влияния могат да накарат орбитата на екзопланетата да се промени с течение на времето. Ако пасажът закъснее, това може да накара космическите телескопи да загубят от ограниченото време за наблююдение в напразно чакане на събитието. Ако пък пасажът се случи прекалено рано, телескопът може да го пропусне изцяло.

Exoplanet Watch и ExoClock са граждански научни проекти, позволяващи на членовете на обществеността да допринесат за изследване на екзопланетите. Участниците могат да използват малки телескопи, които имат у дома, или да управляват дистанционно други телескопи чрез интернет, за да наблюдават пасажите, след което да обработват резултатите на своите компютри. Като качват тези резултати, те могат да помогнат на JWST и Ariel да останат точни, поставяйки ги в позиция да правят наблюдения, които могат да трансформират нашето разбиране за космоса.