Практически вся информация об атмосфере экзопланеты, которую астрономам удается собрать, исходя из изучения прохождения света их звезды через атмосферу. Для того, чтобы получить эти данные, планета должна находится близко к звезде, а плоскость ее орбиты должна содержать Землю. В этом случае она будет часто заслонять звезду, чей свет будет при этом проходить через атмосферу экзопланеты. Молекулы атмосферу будут поглощать свет различных длин волн по-разному, что позволяет проводить спектральный анализ состава атмосферы.

Но «мы знаем очень много планет, не проходящих перед их звездами регулярно, так что об их атмосфере нам практически ничего неизвестно, – говорит Слоан Викторович, сотрудник Калифорнийского университета в Санта-Круз. – Менее 10 процентов известных нам планет были изучены на наличие и состав атмосферы. Это возможно потому, что планеты в тысячи раз тусклее, чем звезды, около которых они обращаются».

Вместо того, чтобы изучать свет, прошедший через атмосферу экзопланеты, Викторович предлагает обратить внимание на свет, рассеянный ею. Преимущество этого метода в том, что он подходит для изучения планет, не проходящих прямо перед своей звездой.

При рассеянии света звезды на атмосфере меняется его поляризация – фактически, направление колебаний электромагнитных волн. Сравнение поляризации света звезды и того же света, рассеянного атмосферой, может предоставить информацию о составе атмосферы и ее разделении на слои. Во всяком случае, можно узнать, обладает ли планета атмосферой в принципе.

«Поляриметрия дает нам дополнительную информацию к фотометрии – измерению яркости на разных длинах волн – потому что в поляризации света заложены дополнительные данные о рассеянном свете, – говорит Сара Сигер, сотрудница Массачусетского технологического института, впервые предложившая использовать поляриметрию для изучения экзопланет. – Эта информация может сказать нам, есть ли на планете облака или дымка, а также определить некоторые их свойства. Эти данные очень трудно получить каким-либо другим методом».

Типичный пример применения этого метода – изучение облаков Венеры. «В начале исследования планет многие считали, что атмосфера Венеры может содержать водяные облака», – говорит Сигер. Фотометрия не позволила определить природу капель в атмосфере планеты, а вот поляриметрия, проведенная при помощи наземных телескопов, показала их состав, затем подтвержденный зондами. Точно так же можно работать и с экзопланетами.

Еще одним преимуществом метода является то, что «состав атмосферы экзопланеты можно исследовать при помощи относительно слабых наземных телескопов», – говорит Викторович.

Важным недостатком является то, что планета должна быть близко к звезде. В противном случае она будет слишком тусклой для наблюдения. Так что метод нацелен на анализ как раз тех планет, которые сейчас легче найти методом прохода.

Для анализа света Викторович и его группа создала поляриметр POLISH2, состоящий из двух стеклянных пластин, вибрация которых указывает на поляризацию приходящего света.

«Это удивительно: вы можем видеть свет, рассеянный атмосферой планеты на расстоянии десятков тысяч световых лет», – говорит Викторович.

На самом деле, поляриметр POLISH2 имеет точность, достаточную для поиска новых экзопланет. Проблему создает высокая чувствительность прибора к любым шумам и изменениям. «Любые изменении в оптической системе телескопа, атмосфере и любом факторе, влияющем на результат, заметно изменит его. Например, количество пыли на оптике телескопа влияет на то, что мы видим», – говорит Викторович. Для учета этих факторов ученым необходимо калибровать прибор при каждом новом измерении. Для этого используется свет близких известных звезд, который заведомо не поляризован. Свет от далеких звезд приобретает поляризацию из-за того, что рассеивается на межзвездном газе по ходу своего движения к Земле. Все это делает процесс калибровки очень сложным и времязатратным. По словам Викторовича, треть каждой ночи наблюдений уходит на калибровку.

Для увеличения шансов найти экзопланету Викторович сейчас работает над улучшением программного комплекса обработки данных. У него скопился огромный объем данных, который стало сложно анализировать. Если удастся разработать программу для быстрой работы с этими данными и ускоренной обработки новых, работа пойдет намного лучше.

Для поиска экзопланеты при помощи поляриметра ее необходимо наблюдать в разных положениях на орбите. Сейчас Викторович сконцентрировался на наблюдении двух звезд, имеющих экзопланеты, чтобы проверить работоспособность методики. «Я недавно добавил еще три звезды, и их количество будет расти, – говорит он. – Я надеюсь, что в результате смогу одновременно изучать несколько десятков экзопланет».

Дальнейшее увеличение числа исследуемых экзопланет потребует установки поляриметра на крупном телескопе. «Крупный телескоп позволит обнаруживать не только газовых гигантов, но и планеты хотя бы размером с Нептун, которые сильно отличаются, – говорит Викторович. – Правда, нам сначала надо доказать работоспособность методики на небольшом телескопе».

«Поиск экзопланет выходит на новый уровень только когда находятся люди вроде Слоана, которые не бояться продвигать технологии, которые другие считают нереализуемыми», – говорит Сигер.