Открытия и исследования экзопланет

[Бобр-99]

Посоветуйте обзор по перспективным для жизни. Лет 10 не следил. Что сейчас?

[Olweg]

Можно здесь глянуть:
https://phl.upr.edu/hwc

[Бобр-99]

Не плохо набрали. Спасибо.

[vika vorobyeva]

Уточнили массу газового гиганта у эпсилон Эридана: https://arxiv.org/pdf/2502.20561

Авторы собрали измерения лучевой скорости эпсилон Эридана за 40 лет, с 1981 по 2021 годы. Также они проанализировали астрометрию, собранную "Гайей" (в DR3), а также полученную "Хабблом" и "Гиппархом".
В итоге они нашли, что истинная масса планеты равна 0.98 ± 0.10 масс Юпитера, а наклонение ее орбиты – 41 ± 6°. Если принять, что орбита в пределах ±1° выровнена относительно внешнего диска, то масса планеты составит 1.04 ± 0.06 масс Юпитера. Орбита близка к круговой.
Также авторы предсказали текущее положение планеты на ее орбите для возможных будущих снимков. Контраст между планетой и звездой ожидается в полосе L (3.5 мкм) равным 2·10^-8 и в полосе M (5 мкм) равным 4·10^-6.

[Dayan]

Орбита близка к круговой.

Хорошо, что выводы с заметно эксцентрической орбитой b в куче статей об ε Эридана оказались неверными.

[vika vorobyeva]

Сегодня в Архиве интересная теоретическая работа о моделировании атмосфер небольших планет в широком диапазоне масс и инсоляции, от мини-нептунов до лишенных атмосферы планет земного типа: https://arxiv.org/pdf/2503.05055

Авторы рассматривали элементы H, He, C, O и D (дейтерий) и вещества, которые из этих элементов могут состоять (молекулярный водород, метан, водяной пар, угарный и углекислый газы, молекулярный кислород + варианты молекул, включающие вместо протия дейтерий). Модель проще реальности за счет игнорирования элементов азота и серы и веществ, из них состоящих (молекулярного азота, аммиака, циановодорода, сероводорода, сернистого газа и т.д.)
Авторы учитывали растворение первичной атмосферы в расплавленной силикатной магме (растворимость измерялась экспериментально), гидродинамическое истечение атмосферы под действием жесткого излучения (фотоиспарение), истечение атмосферы под действием нагрева со стороны ядра планеты (core-powered mass loss), и т.д. По их словам, модель применима к планетам у GKM звезд, причем сами они сосредоточились на красных карликах.
Они сделали 500 тыс. прогонов, причем массы планет были случайно распределены (равномерно в логарифмическом масштабе) в диапазоне 1-20 масс Земли, орбитальные периоды – в диапазоне 1-300 суток, а доля первичной (водородно-гелиевой с солнечным содержанием C и O) атмосферы варьировалась от 0.1% до 30%. Расчеты велись до возраста планеты 5 млрд. лет (в отдельных случаях 10 млрд. лет). Старт во всех случаях был сухим (рассматривалась атмосфера над океаном силикатной магмы без изначального добавления воды). Миграция игнорировалась (орбитальный период фиксировался в начале прогона и не менялся).

Что же получилось?
Результаты расчетов были представлены на диаграммах "Орбитальный период – Радиус планеты" (и однозначно связанная с ней "Орбитальный период – Эффективная температура") и "Орбитальный период – Шкала высот". По доминирующему газу атмосферы разделились на 5 областей, с преобладанием: молекулярного водорода, гелия, углекислого газа, угарного газа, молекулярного кислорода. Водно-паровые атмосферы заняли крошечный участок на диаграмме, и авторы их исключили, но это специфика самих моделей (сухого старта). Резких границ между областями нет, поскольку содержание каждого вещества меняется плавно. Интересно, что если у планет с радиусами больше ~2.4 радиусов Земли независимо от эффективной температуры атмосферы преимущественно водородно-гелиевые, то для планет меньшего размера возникают варианты, например, горячие планеты с радиусами ~2 радиусов Земли будут окутаны атмосферами из угарного газа в смеси с гелием   Довольно широкие области на диаграммах занимают кислородные атмосферы, так что рассматривать кислород как однозначный биомаркер нельзя.
Не все варианты, представленные на диаграмме, совместимы в одной атмосфере. Так, одновременно большого количества угарного газа и кислорода быть не может. В кислородной атмосфере второй важной примесью присутствует углекислый газ, а в углекислотной – кислород, также углекислота часто сопутствует угарному газу. Есть небольшие участки диаграмм, где основной атмосферной составляющей выступает гелий – правда, потом он уступает первое место кислороду и углекислоте. Почти всегда состав атмосферы зависит от возраста – планета начинает свою жизнь как мини-нептун, потом в возрасте 4-5 млрд. лет почти полностью теряет водород и становится планетой с кислородной атмосферой с примесью водяного пара. Или другой вариант: мини-нептун теряет водород и в возрасте сотен миллионов лет получает атмосферу с преобладанием гелия, постепенно (к возрасту 4-5 млрд. лет) гелий тоже улетучивается, и основным компонентом становится кислород. Атмосферы с преобладанием метана у авторов не получилось, но метан может присутствовать в водородно-гелиевой атмосфере в виде примеси на уровне нескольких процентов.
В целом, картина получается сложная – и это еще без учета азота, серы и тяжелых инертных газов! Основной вывод – атмосферы планет из долины радиусов и чуть больше (1.6-2.0 радиусов Земли), скорее всего, НЕ водородно-гелиевые. Около 70% всех планет с вторичными атмосферами – кислородные. Первая обнаруженная планета с кислородной атмосферой, скорее всего, будет горячей планетой с абиогенным кислородом, об этом важно помнить.

[Wert]

Ну так самым надежным считается биомаркер кислород+метан. И кислород будет характерен для горячих планет вне ЗО.

[vika vorobyeva]

И кислород будет характерен для горячих планет вне ЗО.

А планета с эффективной температурой 350-400 К считается горячей или нет?
Кислородная атмосфера при такой температуре возможна, и простейшая жизнь тоже возможна.
Ну и журналисты наверняка сенсацию устроят 

[Wert]

А планета с эффективной температурой 350-400 К считается горячей или нет?

Уже вроде за пределами оптимистической зоны обитаемости, у которой эффективная максимальная примерно 330 К.

[Set O. Lopata]

Модель проще реальности за счет игнорирования элементов азота и серы и веществ, из них состоящих (молекулярного азота, аммиака, циановодорода, сероводорода, сернистого газа и т.д.)

Так это же ключевой момент. Все эти "кислородные" атмосферы на самом деле будут азотными.

[Dayan]

Старт во всех случаях был сухим (рассматривалась атмосфера над океаном силикатной магмы без изначального добавления воды).

По-моему, это очень серьёзный недостаток. Если есть много водорода и гелия (т.е. планета формировалась в "невысушенной" области протопланетного диска, а водород удаляется звёздным излучением эффективнее воды), должно быть много и воды. Может быть Солнечная система, где все тела за снеговой линией содержат много воды (к примеру, все спутники планет-гигантов, кроме Ио, история образования которой очень специфична) не показатель, но, по-видимому, очень маловероятно, что в атмосфере аккумулируется много водорода и гелия, но не аккумулируется вода, которая является вторым по распространённости соединением во Вселенной после H₂ (кислород по распространённости третий элемент).

Основной вывод – атмосферы планет из долины радиусов и чуть больше (1.6-2.0 радиусов Земли), скорее всего, НЕ водородно-гелиевые.

Это было понятно, исходя из расчётов скорости испарения водорода из атмосфер мининептунов, находящихся ближе зоны обитаемости к звезде, а также по наблюдательным данным (трансмиссионным спектрам и отсутствующим линиям Лайман-альфа, например, GJ 1214 b, π Столовой горы c, HD 97658 b, и т.д.).

планета начинает свою жизнь как мини-нептун, потом в возрасте 4-5 млрд. лет почти полностью теряет водород и становится планетой с кислородной атмосферой с примесью водяного пара

Пока чёткого определения термина "мининептун" нет, но я, как и авторы многих статей, не рассматривал бы мининептун обязательно как планету с водородно-гелиевой атмосферой. Это скорее просто планета с массой до 1 массы Урана, находящаяся на диаграмме "масса – радиус" выше линии 100% силикатов, т.е. явно имеющая в своём составе заметное количество летучих веществ – каких, это не столь важно: это может быть водород и гелий (если речь о зоне обитаемости и дальше), метан и/или другие углеводороды, кислород, углекислый и/или угарный газы, вода, азот, аммиак, соединения серы и др.
Кстати, хотя радиус планеты может превышать радиус Урана, но если её масса меньше 14 M⊕, как например в случае с раздутыми планетами системы Kepler-51, то это мининептун (только раздутый). Но если масса планеты превышает 1 массу Урана, но её радиус меньше 1 радиуса Нептуна, то перед нами – плотный нептун (НЕ мини!). В определении "мининептуна" масса, а не радиус – доминирующий фактор.
В представленной Вами статье, видимо, просто для удобства повествования мининептунами называют планеты с водородно-гелиевой атмосферой (хотя могу и ошибаться, – авторы могут применять термин по устаревшей, но, к сожалению, устойчивой традиции, когда мининептунами считаются планеты с атмосферами, где преобладают водород и гелий).

Ну так самым надежным считается биомаркер кислород+метан.

Да, я бы добавил, что кислород является биомаркером, если атмосфера относительно тонкая, т.е. сама планета находится:
1) в зоне обитаемости (оптимистической или консервативной);
2) ниже зазора Фултона (т.е. имеет радиус меньше ~ 1.5 R⊕);
3) ниже линии 100% силикатов на диаграмме "масса – радиус", если известна масса.
Это необходимо, чтобы исключить океаниды и мининептуны, в атмосфере которых может быть много абиогенного кислорода.

И кислород будет характерен для горячих планет вне ЗО.

Не обязательно. Он может быть характерен и для атмосфер земель/суперземель в зоне обитаемости красных карликов из-за их XUV-активности. Допустим на твердотельной планете изначально количество воды было сравнимо с количеством воды на Земле. Вода будет разлагаться под потоками рентгена и ультрафиолета, и со временем в атмосфере может накопиться много кислорода.

[Mercury127]

По-моему, гораздо важнее другое: на реальной землеразмерной планете в мантии изначально всегда будет некоторый запас восстановителей типа неокисленных металлов. Соответственно, кислород очень долго будет уходить на их окисление.

[Dayan]

По-моему, гораздо важнее другое: на реальной землеразмерной планете в мантии изначально всегда будет некоторый запас восстановителей типа неокисленных металлов. Соответственно, кислород очень долго будет уходить на их окисление.

На Земле с её очень тонкой атмосферой окисление пород океана и суши шло почти 1.5 млрд лет (потом кислород начал копиться в атмосфере), в целом это немного. И поскольку она обращается по орбите вокруг раннего жёлтого карлика, основным источником выделения кислорода является жизнедеятельность каких-то организмов, и количественно это очень слабый процесс. На планетах в зоне обитаемости красных карликов разложение воды имеет огромные масштабы – вплоть до нескольких земных океанов за миллиард лет у поздних красных карликов (см., например, Обитаемая планета вокруг красного карлика?), а это производство от нескольких сотен до многих тысяч (если изначально воды на планете было в несколько раз больше, чем на Земле) бар кислорода в атмосфере к возрасту, сопоставимому с современным земным.

[Klapaucius]

Ну так самым надежным считается биомаркер кислород+метан. И кислород будет характерен для горячих планет вне ЗО.

Отвечаю скорее не Вам, а последующим. Биомаркером будет наличие океана из воды, и суши. Без кипятка в атмосфере, и "Земля-снежок" разве только как редкость. На соответствующей орбите. На условно марсианской по полной снежок. Метан вообще не биомаркер, разве что у молодых или вялых планет, типа Марса. У нас его в атмосфере практически нет, хотя может если Землю изучать как экзопланету, может следовые количества (сколько там коровы напукали?) и обнаружат.

[Dayan]

Биомаркером будет наличие океана из воды, и суши. Без кипятка в атмосфере, и "Земля-снежок" разве только как редкость.

Наличие суши и океана воды – это возможные условия для жизни, а не биомаркеры.
Биомаркеры – это вещества в атмосфере, которые как индикаторы помогут выявить присутствие жизни на экзопланете наблюдательно. Биомаркеры при использовании высокоточных телескопов могут быть выявлены в трансмиссионном или эмиссионном спектре. Сейчас становится понятно, что открытие одного какого-то вещества для твёрдого установления существования биосферы недостаточно, например, если обнаружен один только кислород. Биомаркером он становится только в комплексе с определёнными условиями и обнаружением других веществ в одной атмосфере – например, азота, воды, углекислого газа, метана (да, в атмосфере Земли в некоторых линиях поглощения в ИК он чётко проступает, несмотря на относительно малую его долю от общего объёма – и его выделяют по большей части не коровы, а всё-таки микроорганизмы, хотя в последние десятилетия около половины его выработки имеет антропогенное происхождение).

К определённым условиям, как уже было сказано, относятся не слишком большая по массе (чтобы в процессе формирования не стянуть из диска слишком много воды и газа, и стать мининептуном, т.е. планетой с чрезмерно мощной атмосферой, создающей сильнейший парниковый эффект и одновременно эффективно удерживающей собственное внутреннее тепло планеты), и не слишком маленькая планета (способная удержать достаточную для поддержания жидкой воды атмосферу хотя бы из тяжёлых газов, например, углекислого), обращающаяся по орбите в зоне обитаемости, имеющая тонкую атмосферу (относительно подобия Венеры и, тем более, минининептуна), но плотную (относительно атмосфер таких планет, как Марс) настолько, чтобы опять же вода могла быть жидкой.

На соответствующей орбите. На условно марсианской по полной снежок.

Марс находится в зоне обитаемости Солнца. Имей он достаточно плотную атмосферу (например, 3 бар водорода, как предполагается в некоторых статьях это было на заре его существования), на поверхности вода бы могла находиться в устойчивом жидком состоянии. Но масса планеты подвела – она слишком мала, и постепенно Марс потерял и почти всю вторичную атмосферу.
Зона обитаемости – это не какая-то тонкая линия, это широкая "полоса" вокруг звезды, где на поверхности планет в некотором диапазоне масс с разными атмосферами вода может быть жидкой. Внутренний край оптимистической зоны обитаемости Солнца очерчивает ранняя Венера, на которой, вероятно, были условия для жидкой воды, а внешний её край – ранний Марс, поддерживавший существование океана жидкой воды в условиях "слабого" Солнца благодаря его плотной первичной атмосфере.

[Wert]

Метан вообще не биомаркер, разве что у молодых или вялых планет, типа Марса.

Биомаркер. Метан полностью на Земле производится почти полностью биологическими источниками (или биогенной органикой разложившейся абиогенно) и быстро разрушается, что требует постяонного пополнения. Так что, если есть метан с кислородом, другого объяснения нет. Думаю даже достаточно исключить водородную атмосферу и метан можно объяснить только жизнью.

[Vavanzer]

Метан вообще не биомаркер, разве что у молодых или вялых планет, типа Марса.

Биомаркер. Метан полностью на Земле производится почти полностью биологическими источниками (или биогенной органикой разложившейся абиогенно) и быстро разрушается, что требует постяонного пополнения. Так что, если есть метан с кислородом, другого объяснения нет. Думаю даже достаточно исключить водородную атмосферу и метан можно объяснить только жизнью.

А то что его полно в газовых гигантах и на их спутниках!?) Ну и различных путей его образования тоже множество. Достаточно СО2, Н2О и излучение подходящее, с давлением и температурой))) 
 Туда же и циан, и аммиак, и остальное газовое и органическое "барахло", которого полно даже в газопылевых облаках!))

  Самый интересный вопрос, как собираются обнаруживать метан-"биомаркер" при его микроскопической концентрации и процентном соотношении к остальному, такой как на Земле и тем более на Марсе!?)  Эт если только его концентрация будет весьма приличная. Но что за планета должна быть, и что за жизнь на ней, чтоб столько метана наработать и накопить, и чтоб он не улетал в космос и не разрушался в присутствии большого % кислорода!

[Wert]

Достаточно СО2, Н2О и излучение подходящее, с давлением и температурой)))

Реакция Сабатье возможна с катализатором на основе никеля, рутения или родия при 300-400 градусов Цельсия. Так что в естественных условиях в значимых количествах она не может идти (см. катализаторы).

А то что его полно в газовых гигантах и на их спутниках!?)

Там водородные атмосферы. В атмосферах из азота или диоксида углерода он нестабилен. Нужен постоянный достаточно мощный источник.

Самый интересный вопрос, как собираются обнаруживать метан-"биомаркер" при его микроскопической концентрации и процентном соотношении к остальному, такой как на Земле и тем более на Марсе!?)

Для рассматриваемых здесь аналогов Земли и хоста, подобного TRAPPIST-1, метан может быть обнаружен менее чем за 10 транзитов на расстояниях в пределах около 14 пк, углекислый газ может быть обнаружен менее чем за 20 транзитов на расстояниях в пределах около 13 пк, а молекулярный кислород может быть обнаружен менее чем за 40 транзитов на расстояниях в пределах около 12 пк.

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1538-3873/abf367/meta#paspabf367s4

[vika vorobyeva]

Кажется, подтверждаются 4 небольших планеты у звезды Барнарда: https://arxiv.org/pdf/2503.08095

У звезды Барнарда (GJ 699) богатый опыт всемирной славы и скандалов, с середины прошлого века у нее регулярно открывают, а потом закрывают планеты. В 2019-2023 годах ее лучевую скорость измерял ESPRESSO, что привело к открытию планеты с орбитальным периодом 3.15 суток и минимальной массой 0.37 ± 0.05 масс Земли. Уже тогда авторы писали еще о трех пиках на периодограмме, но их достоверность они посчитали недостаточной, и в качестве планеты представили только GJ 699 b.
Сегодня в Архиве вышла статья, посвященная измерениям лучевой скорости звезды Барнарда на спектрографе MAROON-X. Они получили 112 измерений со средней точностью 30 см/с. Они искали периодичности и только в своих данных, и в объединенных данных с ESPRESSO. В итоге они подтвердили все 4 планеты.
В настоящий момент система выглядит так:
– планета d: период  2.3402 ± 0.0003 суток, минимальная масса 0.263 ± 0.024 масс Земли, эксцентриситет орбиты 0.04 ± 0.04;
– уже известная планета b: период 3.1542 ± 0.0004 суток, минимальная масса 0.299 ± 0.026 масс Земли (уменьшилась немного), эксцентриситет 0.03 ± 0.03;
– планета c: период 4.1244 ± 0.0006 суток, минимальная масса 0.335 ± 0.030 масс Земли, эксцентриситет 0.075 ± 0.05;
– планета e: период P = 6.739 ± 0.003 суток, минимальная масса 0.193 ± 0.033 масс Земли, эксцентриситет 0.04 ± 0.04.
Все планеты находятся ближе внутреннего края обитаемой зоны.
Анализ динамической устойчивости показал, что при эксцентриситетах меньше 0.02 система остается устойчивой при наклонениях орбит от 90° до 20° (в последнем случае физические массы будут больше минимальных масс в 3 раза.

[vika vorobyeva]

В системе GJ 3998 обнаружили третью планету, причем в обитаемой зоне: https://arxiv.org/pdf/2503.08405

Напомню, что GJ 3998 – близкий (18.18 ± 0.01 пк) красный карлик спектрального класса M1V светимостью в 22.8 раза меньше солнечной. В 2016 году методом лучевых скоростей у нее были открыты две планеты с орбитальными периодами 2.65 и 13.7 суток и минимальными массами ~2.5 и ~6.3 масс Земли.
Авторы получили 206 измерений лучевой скорости GJ 3998 на HARPS-N со средней погрешностью 1.02 м/с, из которых 2 выкинули из-за низкого качества. Они подтвердили уже известные планеты, немного уточнив их минимальные массы (2.5 ± 0.3 масс Земли у планеты b и 6.8 ± 0.8 у планеты c). Также они представили третью планету d с орбитальным периодом 41.78 ± 0.05 суток и минимальной массой 6.1 ± 1 масс Земли. Орбиты всех трех планет неотличимы от круговых.
Интересно, что сигнал с периодом около 42 суток обнаружили и первооткрыватели двух внутренних планет, но они сочли его связанным со звездной активностью. Однако авторы новой работы показали, что достоверность 42-суточного сигнала увеличивалась с ростом количества измерений, что говорит о его когерентности; напротив, достоверность колебаний, сопровождающихся теми или иными признаками звездной активности, с увеличением количества измерений уменьшается (рисунок 3 в статье). Период вращения звезды оказался равен 30.2 ± 0.3 суткам.
Большая полуось орбиты новой планеты – 0.189 ± 0.006 а.е., ее инсоляция 1.2 ^+0.3/_-0.2 от земной. Конечно, о ее обитаемости говорить не приходится, при массе больше 6.1 масс Земли это может быть только мини-нептун или нептун.