Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Поиск потенциально обитаемых экзопланет представляет собой сложную задачу, решение которой зависит от многих факторов. Так, в ходе поиска таких экзопланет берут во внимание планеты земного типа (экзо-земли, супер-земли, суб-нептуны), на поверхности которых возможно существование жидкой воды и в атмосферах которых отсутствует сильный парниковый эффект. То есть, рассматривают планеты, находящиеся в зоне потенциальной обитаемости (ЗПО) у своих родительских звезд. В качестве родительских звезд, при этом, обычно рассматривают звезды солнечного типа, а также маломассивные звезды, которые не демонстрируют сильной активности в жестком ультрафиолетовом (XUV) и мягком рентгеновском (X-ray) диапазоне. Выполнение последнего условия необходимо для формирования и удержания вторичной атмосферы планеты. Результаты последних исследований (см, например, [Lammer et al., Astrobiology, 2019]), позволяют предположить, что одним из возможных условий обитаемости на планете земного типа является наличие у данной планеты N2-O2 доминантной атмосферы. Индикаторами такой атмосферы, а, следовательно, биомаркерами, являются молекулы: NO и N2O. Спектральные проявления данных молекул можно потенциально зарегистрировать в верхних атмосферах экзопланет земного типа в УФ и ИК диапазонах длин волн. Прогресс наблюдательных возможностей и запуски космических телескопов позволят уже в ближайшем будущем проводить транзитную спектроскопию относительно небольших экзопланет в широком диапазоне длин волн, от УФ до ИК диапазона. В ближайшие годы планируется запуск российской орбитальной ультрафиолетовой обсерватории Спектр-УФ. Одной из задач данного Проекта является оценка возможности наблюдения биомаркеров с помощью ее инструментов. Конечное решение данной задачи, т.е. обнаружение УФ свечений на экзопланетах земного типа, позволит сделать вывод о наличии аэробных форм жизни и геологической активности на данных экзопланетах. Суб-нептуны и экзо-земли, расположенные на низких орбитах к родительской звезде, являются объектами, хорошо подходящими для изучения образования вторичных N2-O2 атмосфер. Горячие атмосферы данных экзопланет, нагреваемые излучением родительской звезды, находятся в режиме газодинамического истечения — фотоиспарения, в результате чего область поглощения в резонансных линиях испаряемых химических элементов должна значительно превышать оптический размер планеты. Таким образом, становится возможным наблюдение таких потенциальных биомаркеров, как окись азота NO – в УФ диапазоне излучения. Наиболее важной особенностью данного и будущих исследований – является возможность проверки разработанных численных моделей расчета концентраций NO в полярных областях атмосферы Земли с наблюдательными данными, так как для радикала NO в рассматриваемых областях существует расширенная база данных измерений. Для уверенного обнаружения биомаркеров необходимо не только получение наблюдательных данных, но и построение численных моделей для их интерпретации, что является целью данного Проекта. В рамках этапа 2022 года участниками Проекта проводилось моделирование атмосфер горячих суб-нептунов и экзо-земель, для чего впервые была разработана аэрономическая модель, в которой детально учитывается химия семейства нечетного азота (N, NO, ...) в N2-O2 верхних атмосферах суб-нептунов и экзо-земель, в том числе в модели учтен перенос надтепловых атомов азота. Также была разработана численная МГД-модель для исследования динамики оксида азота в магнитосферах экзопланет. Проведено исследование влияния на химию нечетного азота воздействия звездного ветра в высокоширотной верхней атмосфере суб-нептунов и экзо-земель и последующего переноса оксида азота в верхней атмосфере экзопланеты. Разработанная участниками Проекта кинетическая Монте-Карло модель высыпания авроральных электронов была модифицирована и обновлена с целью расчета функций источника надтепловых атомов, образующихся в результате диссоциации основных атмосферных молекул N2 и O2 электронным ударом. По результатам тестовых расчетов было показано, что диссоциация N2 электронным ударом может служить потенциально важным источником надтепловых атомов N в авроральных областях N2-O2 атмосфер планет земного типа. Более того, дальнейшие расчеты стационарных функций распределения по кинетической энергии для надтепловых атомов N(4S) позволят определить их возможный вклад в образование окиси азота, т.к. в пробных расчетах установлено, что коэффициенты нетепловых скоростей образования в реакции (1): N(4S) + O2(X3Σ-g) → NO(X2Π) + O(3P) намного больше коэффициентов тепловых скоростей. Чтобы получить оценки этого вклада, необходимо рассчитать вклад надтепловых атомов N в химию нечетного азота за счет реакции (1): в аэрономической модели, создание которой является одной из важнейших задач данного проекта. Также в рамках Проекта нами была исследована возможность обнаружения УФ свечения потенциального биомаркера, окиси азота NO, в γ-полосе (203 – 248 нм) на экзопланетах земного типа с помощью инструментов телескопа Спектр-УФ. Именно в γ-полосе, согласно ранее проведенным спектральным наблюдениям в верхней атмосфере Земли (спутники SNOE, SME, AE-C, AE-D; обсерватория OGO), свечение NO является наиболее ярким в УФ диапазоне. Используя разработанную нами модель излучения в γ-полосе, которая была модифицирована для N2-O2 доминантных атмосфер экзопланет земного типа, а также используя параметры спектрографа LSS обсерватории Спектр-УФ – были произведены расчеты времени накопления сигнала, необходимого для детектирования потенциального биомаркера NO на данных экзопланетах. Было показано, что с помощью спектрографа LSS (разрешение, R = 1000) обсерватории Спектр-УФ можно обнаружить УФ свечение потенциального биомаркера NO в оптически тонких N2-O2 верхних атмосферах экзопланет в следующих случаях: для экзопланеты HD 192310 b – время накопления сигнала составляет 26.9 часов; для экзопланеты GJ 687 b - время накопления сигнала составляет 13.2 часов (в предположении о том, что данная планета находится в зоне потенциальной обитаемости (ЗПО) у звезды M3V спектрального класса, которая не демонстрирует сильной активности в ближнем УФ диапазоне); За разумное время можно также обнаружить УФ свечение NO на типичных суб-нептунах, которые находятся в ЗПО у звезд солнечного типа, а также у маломассивных звезд. При этом граничное для детектирования расстояние до данных планетных систем не должно превышать 55 парсек; Обнаружение эмиссии NO на типичных супер-Землях, которые находятся в ЗПО у звезд солнечного типа - также возможно. Диапазон граничных для детектирования расстояний составляет 4 парсека. Расширение данного диапазона возможно при: больших концентрациях окиси азота в атмосферах данных экзопланет (в 2 и более раз – по сравнению с заданными условиями в атмосфере этих экзопланет), а также при использовании спектрографа меньшего разрешения; Расчеты для рассмотренной методики детектирования сигнала показали, что для типичных экзо-земель обнаружение УФ свечения NO в атмосферах данных планет – невозможно за разумное наблюдательное время; Для исследования структуры течения в окрестности горячих экзопланет разработан трехмерный численный код, основанный на приближении многокомпонентной магнитной гидродинамики. В численный код включена полноценная модель звездного ветра. Кроме того, код учитывает собственное магнитное поле планеты. Приближение многокомпонентной МГД позволяет в дальнейшем учесть изменения химического состава верхних атмосфер горячих экзопланет и, в частности, водородно-гелиевых оболочек горячих юпитеров. В рамках данного этапа Проекта проведена модификация численной МГД модели, в которой учтена магнитная вязкость. В новый вариант включены процессы диффузии магнитного поля, обусловленные омической (турбулентной) вязкостью, а также вязкостью бомовского типа.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
С момента открытия планет у других звезд ведутся поиски признаков их обитаемости. К сожалению, современный уровень развития средств наблюдения позволяет получить лишь небольшое количество информации об условиях на далеких планетах, в основном касающуюся их размеров, массы, параметрах орбиты и, в небольшой степени, о составе атмосферы. Тем не менее, используя эти данные, можно попробовать выявить маркеры биологической активности. Одним из важнейших биомаркеров является окись азота NO. В качестве родительских звезд обычно рассматривают звезды солнечного типа и маломассивные звезды, которые не демонстрируют сильной активности в жестком ультрафиолетовом (XUV) и мягком рентгеновском спектральных диапазонах, что необходимо для формирования и удержания вторичной атмосферы планеты. Прямыми индикаторами такой атмосферы могут служить молекулы N2O, NO2, NO и N2–O2 димеры. Спектральные проявления данных молекул можно потенциально зарегистрировать в верхних атмосферах экзопланет земного типа в УФ и ИК диапазонах длин волн. Чтобы оценить возможность детектирования окиси азота в атмосферах экзопланет и правильно интерпретировать наблюдения, необходимо создание численных моделей атмосфер, подверженных воздействию звездной активности, что является главной задачей Проекта. Также, одной из главных задач Проекта является оценка возможности обнаружения спектральных признаков потенциальных биомаркеров в N2-O2 атмосферах экзопланет земного типа в ультрафиолетовом диапазоне длин волн – с помощью инструментов космической обсерватории Спектр-УФ. Для верификации разрабатываемых моделей мы применяем их к условиям земной атмосферы, что позволяет нам оценить потенциальный вклад биомаркеров в наблюдения. Идея использования NO в качестве потенциального биомаркера широко обсуждается (Sproß et al., Astronomy Reports, 2021), поскольку процессы его образования и потери сильно зависят от присутствия молекулярного азота и кислорода в качестве основных компонентов в атмосферах земного типа. В работе (Tsurikov, Bisikalo, Astronomy Reports, 2022) обсуждалась возможность наблюдения окиси азота на экзопланетах и было показано, что при благоприятных условиях окись азота может быть обнаружена в атмосферах экзопланет с помощью космических миссий, таких как Спектр-УФ. Нами была использована кинетическая модель Монте-Карло для расчета стационарных функций распределения по кинетической энергии надтепловых атомов N(4S) в верхних слоях полярной атмосферы, которые образуются в результате высыпания высокоэнергетических авроральных электронов в N2-O2 атмосферу каменистых планет в Солнечной и внесолнечных планетных системах. Было показано, что диссоциация N2 при электронном ударе является важным источником надтепловых атомов N, что значительно увеличивает нетепловое образование окиси азота в областях полярных сияний. Расчеты показали, что при учете вклада надтепловых атомов азота, лучевая концентрация NO увеличивается в 3, 7, 32 раза при средней кинетической энергии E0=1, 2, 5 кэВ для высыпающихся электронов, соответственно, по сравнению со случаем, когда горячие атомы N(4S) не учитываются. Как было ранее показано нами на примере горячих юпитеров, процесс взаимодействия внешних частей со звездным ветром носит существенно трехмерный характер. Аналогично, 3D-эффекты нельзя игнорировать при моделировании течений вокруг экзопланет, исследуемых в рамках Проекта. Для исследования процесса обтекания экзопланет звездным ветром разработан новый трехмерный параллельный численный код в сферических координатах. Особенность сферической системы координат в окрестности полюсов преодолевается с помощью использования тернарной сферической сетки, которая представляет собой композитную сетку, состоящую из трех отдельных секторов. Численная модель многокомпонентной магнитной гидродинамики, разработанная ранее для декартовых координат, перенесена в новую модель. Для верификации кода были проведены расчеты структуры протяженной оболочки квази-открытого типа для случая сверх-альфвеновского обтекания горячего юпитера. Показано, что пространственного разрешения сетки оказывается достаточно для самосогласованного расчета структуры атмосферы горячего юпитера. Это позволяет в дальнейшем использовать новую модель для трехмерных аэрономических расчетов. В рамках Проекта нами была исследована возможность обнаружения пропускания (трансмиссии) света родительской звезды в системе γ-полос потенциального биомаркера NO (203 – 248 нм) в атмосферах экзопланет земного типа (экзо- и супер-землях, суб-нептунах) с помощью инструментов космической обсерватории Спектр-УФ. Также мы оценили возможность детектирования молекулы NO методами трансмиссионной (наблюдения в первичном транзите) и эмиссионной (наблюдения во вторичном затмении) спектроскопии и выбрали наилучший метод обнаружения данной молекулы в верхних атмосферах экзопланет. Причиной рассмотрения сигналов излучения и пропускания NO именно в системе γ-полос является то, что согласно ранее проведенным спектральным наблюдениям в верхней атмосфере Земли (спутники SNOE, SME, AE-C, AE-D; обсерватория OGO) было выявлено, что данная система полос является наиболее интенсивной у молекулы NO в УФ диапазоне. С использованием разработанной модели пропускания в атмосферах экзопланет земного типа (экзо- и супер-земель, суб-нептунов) в ближнем УФ диапазоне, в которой помимо системы γ-полос молекулы NO рассматривались также спектральные признаки молекул O2, O3, N2O, NO2, SO2 и рэлеевское рассеяние на атомах и молекулах воздуха (N2, O2, CO2, Ar), а также учитывая технические характеристики спектрографа LSS обсерватории Спектр-УФ, нами были произведены параметрические расчеты времени накопления сигнала, необходимого для регистрации молекулы NO на данных экзопланетах. По результатам расчетов было показано, что с помощью спектрографа LSS детектирование сигнала пропускания NO в атмосферах типичных супер-земель и суб-нептунов потенциально возможно за 120 ч наблюдений в случаях, когда планета с атмосферой, подобной атмосфере Земли находится в зоне потенциальной обитаемости у звезды солнечного типа, на расстоянии не далее 2 парсек от Земли, либо для планет с активными родительскими звездами, жесткий ультрафиолетовый (XUV) поток от которых способствует росту температуры и расширению верхних атмосфер экзопланет. Во втором случае границы наблюдаемости расширяются до 3 и 5 пк для типичных супер-земель с температурами 3000 и 5000 К в верхних атмосферах (для сравнения температура в верхней атмосфере Земли может достигать и превышать 1000 К); либо до 10 и 20 пк для типичных суб-нептунов при тех же температурах соответственно. Из известных экзопланет, обнаружение молекулы NO потенциально возможно для суб-нептуна HD 192310 c (время экспозиции 115 часов), либо для супер-земли Tau Cet e (время экспозиции 96 часов). Также, обнаружение может быть возможно, если учесть дополнительные источники формирования NO в верхней атмосфере экзопланеты: надтепловые атомы азота, образующихся при более интенсивных (чем в атмосфере Земли) электронных высыпаниях в атмосферах экзопланет, либо Джоулев нагрев в верхней атмосфере во время геомагнитных штормов. Кроме того, нами было показано, что регистрация сигнала эмиссии в системе γ-полос NO в атмосферах экзопланет становится потенциально возможной при использовании коронографа с контрастом, равным 1e-8 – 1e-9, на борту Спектр-УФ в системе со спектрографом LSS. Граничные для регистрации сигнала расстояния при этом достигают: 9 пк для планетной системы суб-нептун – родительская звезда солнечного типа; 5 пк для планетной системы супер-земля – родительская звезда солнечного типа. Использование коронографа на борту Спектр-УФ может позволить зарегистрировать рассматриваемый эмиссионный сигнал у суб-нептуна HD 192310 c за время экспозиции 120 часов и супер-земли Tau Cet e за время экспозиции 40.5 часов.