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.