Обнаружить следы жизни станет проще: учёные вдвое повысили точность моделей экзопланет

Реалистичные облака и данные со спутников Земли помогут телескопам нового поколения

Международная группа астрономов представила усовершенствованные методы анализа экзопланет земного типа, которые помогут точнее определять состав их атмосфер. Исследование готовит почву для будущих миссий, таких как телескоп Extremely Large Telescope (ELT) и проект Habitable Worlds Observatory (HWO), предназначенных для прямого наблюдения за потенциально обитаемыми объектами.

Работа основана на трёхмерных моделях переноса излучения, учитывающих реалистичное распределение облаков и поверхностных структур планет у звёзд классов G (солнечного типа) и M (красных карликов). Учёные сравнили упрощённые модели, где облака и поверхность представлены однородными слоями, с комплексными алгоритмами, использующими данные спутниковых наблюдений Земли. Оказалось, что упрощённые подходы завышают контраст отражённого света в два раза и искажают тонкие спектральные линии, характерные для воды и кислорода.

Ключевым инструментом стала модель 3D Cloud Generator (3D CG), которая воссоздаёт неоднородные облачные структуры на основе данных ERA5 — глобального архива метеорологических наблюдений за атмосферой Земли. Её применили к разным типам поверхности: океанам, лесам, пустыням и полярным шапкам. Исследование впервые количественно показало, что поляризация света (направление колебаний световых волн) на 80% сильнее зависит от деталей поверхности и облаков, чем его яркость. Например, облака снижают контраст в поляризованном свете до 20% от значений в отражённом излучении — это критично для калибровки приборов телескопов.

Расчёты проверили на шести известных экзопланетах, включая Proxima b и Ross 128 b, а также на смоделированной планете в обитаемой зоне звезды Альфа Центавра А как возможной цели для наблюдений. Новые оценки контраста оказались в среднем вдвое ниже предыдущих, что требует корректировки подходов к анализу данных.

«Высокое спектральное разрешение (R = 100 000) позволяет различать тонкие линии поглощения — “отпечатки” веществ в атмосфере. Но если модель не учитывает реальное распределение облаков, то эти линии могут “смазаться”», — поясняют авторы. Например, упрощённые модели искажают глубину линий воды, что ведёт к ошибкам в оценках её концентрации.

Исследование уже используется при разработке инструментов ANDES и PCS для ELT, которые начнут работу в 2030-х годах. Уточнённые модели помогут избежать ложных выводов о наличии жизни, например, при обнаружении кислорода или воды. Следующий шаг — адаптация методов для анализа данных телескопа «Хаббл» и подготовки к запуску миссии HWO.