Оригинальная новая методика и мощность Очень большого телескопа Европейской южной обсерватории позволили исследовать атмосферу экзопланеты напрямую, не используя затмевание этой планета диска ее звезды. Международная группа астрономов при помощи VLT сумела непосредственно увидеть слабое свечение смой планеты – Тау Волопаса b. Кроме изучения атмосферы планеты, удалось с невиданной доселе точностью определить ее орбиту и массу. Это разрешило задачу, стоящую перед астрономами на протяжении полутора десятков лет. Что интересно, оказалось, что атмосфера планеты становится холоднее по мере увеличения высоты, хотя стоило бы предположить обратное, ведь она находится очень близко к своей звезде.

Тау Волопаса b, таки образом, продолжает радовать ученых своими рекордами. Эта планета была одной из первых найденных экзопланет, открытой еще в 1996 г. Несмотря на это, она все еще остается одной из самых близких к своей звезде экзопланет.  Впрочем, именно это позволило ей и занять одно из первых мест среди открытых экзопланет. Будучи газовым гигантом – горячим Юпитером – и обращаясь очень близко к звезде, эта планета оказывает на нее значительное влияние благодаря мощным гравитационным силам. Именно из-за «болтанки» несчастной звезды планета и была обнаружена, хотя увидеть ее саму в телескоп – непростое дело.

Главным недостатком этой планеты является ориентация ее орбиты. Планета не затмевает звезду, если смотреть на нее с Земли, что значительно усложняет ее изучения. Фактически, ни один стандартный метод изучения экзопланет не работает – в первую очередь, метод изучения преломленного атмосферой планеты света звезды, который дает информацию о составе атмосферы. Именно поэтому так долго Тау Волопаса b оставалась темной лошадкой (хотя так близко к звезде планета вряд ли может считаться темной).

Наконец, после пятнадцати лет попыток зарегистрировать тусклое излучение планеты, наконец удалось получить достоверные прямые наблюдательные данные об атмосфере Тау Волопаса b. Кроме того, при помощи этих данных впервые была вычислена точная масса планеты. Для этого использовался спектрометр CRIRES (CRyogenic InfraRed Echelle Spectrometer), установленный на Очень Большом Телескопе.  С помощью спектрометра удалось получить высококачественные инфракрасные снимки и звезды. Отметим, что в инфракрасном диапазоне звезда излучает заметно слабее, нежели в оптическом, поэтому на таких длинах волн намного проще в засвете звезды разглядеть тусклое свечение горячей планеты – опять, инфракрасное.  Тем не менее, для того, выделить слабый сигнал горячего Юпитера на фоне гораздо более мощного излучения звезды, пришлось разработать специальную методику. Она основана на использовании скорости орбитального движения планеты вокруг звезды для выделения излучения этой самой планеты за счет смещения спектральных линий  быстро движущегося тела. Метод сначала был опробован на другой экзопланете, для которой данные об атмосфере были независимо получены обычным методом при ее проходе перед звездой.

«Благодаря высокому качеству наблюдений, достигнутому при помощи Очень большого телескопа и спектрометра CRIRES, оказалось возможным исследовать спектр системы гораздо более детально, чем это было возможно ранее. Лишь примерно 0.01% света, который мы засекли, пришел от планеты, все остальное – от звезды, так что это было непросто», – говорит первый автор исследования Маттео Броги, сотрудник Лейденской обсерватории.

Интересным результатом изучения атмосферы стало уменьшение ее температуры с высотой. Вообще, для горячих Юпитеров характерно обратное явление. Несколько таких планет, изученных при помощи Спитцера, показали рост температуры с высотой, причем это связано со свойствами излучения молекул атмосферы, а не с поглощением света звезды. Но в случае Тау Волопаса b звезда находится очень близко и очень активна, так что внутренние процессы планеты, судя по всему, подавляются.

Вторым открытием  стала точная масса планеты. Вообще, значительная часть экзопланет открывается по гравитационному воздействию, оказываемому ими на их звезды. Этот метод, безусловно, дает некоторую информацию о массе планеты. При этом, однако, можно лишь установить ее нижний предел. Это связано с тем, что наклонение орбиты планеты зачастую неизвестно. Если орбита планеты наклонена по отношению к линии Земля-звезда, то более тяжелая планета будет приводить к тем же наблюдаемым периодическим колебаниям положения  звезды, что легкая планета на менее наклонной орбите. Измерить трехмерную скорость и положение звезды не удается, так разделить эти два эффекта не представляется возможным. Методика прямого наблюдения планеты позволила астрономам измерить угол наклона орбиты, и затем по колебаниям звезды найти точное значение ее массы. Как оказалось, Тау Волопаса b имеет угол наклона орбиты в 44 градуса, а ее масса в шесть раз больше массы Юпитера.

«Новые наблюдения при помощи Очень большого телескопа решили проблему определения массы Тау Волопаса b – задачу, которую не могли решить 15 лет. Новым методом также можно исследовать атмосферы экзопланет, которые не проходят по диску своих звезд, и точно определять массы планет, что раньше было невозможно, – говорит Игнас Снеллен из Лейденской обсерватории, соавтор статьи. – Это большой шаг вперед».

Вообще, полученный результат имеет фундаментальное значение. Это не просто успех в исследовании одной конкретной планеты, но удачная методика, которая показывает, что  спектральный анализ высокого разрешения, выполняемая с помощью наземных телескопов способен дать мощный инструмент детального анализа атмосфер экзопланет. Изучение их химического состава станет первым шагом на пути оценки обитаемости планет. «Наша работа свидетельствует об огромном потенциале современных и будущих наземных телескопов, таких, как Чрезвычайно большой телескоп. Может, мы даже сумеем когда-нибудь найти этим методом доказательства биологической активности на планетах земного типа», – заключает Игнас Снеллен.