NO биомаркер: трансмиссионный и эмиссионный методы его потенциального обнаружения в атмосферах экзопланет с помощью Спектр-УФ

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Среди всех факторов обитаемости экзопланет земного типа одним из определяющих является наличие у экзопланеты вторичной N2–O2 доминантной атмосферы. Именно данный фактор может потенциально свидетельствовать об уже существующих геологических и биологических процессах на экзопланете. Между тем прямая характеризация N2–O2 атмосфер у экзопланет земного типа является сложной наблюдательной задачей. Существует всего несколько индикаторов (молекул) такой атмосферы, среди которых можно выделить потенциальный биомаркер – молекулу окиси азота NO. Наиболее сильными спектральными признаками данной молекулы в ультрафиолетовом диапазоне являются γ-полосы (203–248 нм). Важную роль в поиске потенциальных биомаркеров на экзопланетах, в том числе в регистрации γ-полос NO, может сыграть планируемая к запуску космическая обсерватория Спектр-УФ. В работе приведены оценки возможности детектирования трансмиссии света в γ-полосах в атмосферах экзопланет с помощью данной обсерватории. Проведено сравнение методов эмиссионной и трансмиссионной спектроскопии применительно к регистрации NO. По результатам работы показано, что потенциальная возможность обнаружения сигнала трансмиссии в γ-полосах NO в атмосферах близких экзопланет (<10 пк) с помощью спектрографа LSS обсерватории Спектр-УФ существует. Представлены накладываемые ограничения для регистрации данного сигнала на более далеких экзопланетах.

Об авторах

Г. Н. Цуриков

Институт астрономии РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: tsurikov@inasan.ru
Россия, Москва

Д. В. Бисикало

Национальный Центр Физики и Математики; Институт астрономии РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: bisikalo@inasan.ru
Россия, Саров; Россия, Москва

Список литературы

  1. J. Kasting, D. Whitmire, and R. Reynolds, Icarus 101, 1, 108–128 (1993).
  2. A. Nakayama, M. Ikoma, and N. Terada, Astrophys. J. 937, 72 (2022).
  3. H. Lammer, L. Sproß, J. L. Grenfell, M. Scherf, et al., Astrobiology 19, 7 (2019).
  4. L. Sproß, M. Scherf, V. I. Shematovich, D. V. Bisikalo, and H. Lammer, Astronomy Reports 65, No. 4 (2021).
  5. Y. Betremieux and L. Kaltenegger, Astrophys. J. Lett. 772, L31, 6 (2013).
  6. E. W. Schwieterman, S. L. Olson, D. Pidhorodetska, C. T. Reinhard, et al., Astrophys. J. 937, 109, 22 (2022).
  7. S. Seager, M. Schrenk, and W. Bain, Astrobiology 12, 1, 61–82 (2012).
  8. V. I. Shematovich, D. V. Bisikalo, and J. C. Gérard, Geophysical Research Letters 18, 1691–1693 (1991).
  9. V. I. Shematovich, D. V. Bisikalo, and J. C. Gérard, Annales Geophysicae 10, 792–801 (1992).
  10. V. Shematovich, D. Bisikalo, and G. Tsurikov, Atmosphere 14, 1092, 15 (2023).
  11. D. V. Bisikalo, V. I. Shematovich, and B. Hubert, Universe 8, 437–451, (2022).
  12. J. C. Gérard, V. I. Shematovich, and D. V. Bisikalo, Geophysical Research Letters 18, 1695–1697 (1991).
  13. J.-C. Gérard, V. I. Shematovich, and D. V. Bisikalo, Geophysical Monograph Series. The Upper Mesosphere and Lower Thermosphere: A Review of Experiment and Theory, Vol. 87 (1995).
  14. J.-C. Gérard, D. V. Bisikalo, V. I. Shematovich, and J. W. Duff, Journal of Geophysical Research 102, A1 (1997).
  15. C. A. Barth, Piana Space Sci. 40, No. 24 (1992).
  16. C. A. Barth, K. D. Mankoff, S. M. Bailey, S. C. Solomon, Journal of Geophysical Research 108, No. A1 (2003).
  17. Б. Ф. Гордиец, Ю. Н. Куликов, М. Н. Марков, М. Я. Маров, Труды ФИАН: Инфракрасная спектроскопия космического вещества и свойства среды в космосе, 130 (1982).
  18. Г. Н. Цуриков, Д. В. Бисикало, Астрон. журн. 100, № 2, 144–165 (2023).
  19. A. A. Boyarchuk, B. M. Shustov, I. S. Savanov, M. E. Sach-kov, D. V. Bisikalo, et al., Astronomy Reports 60 (2016).
  20. B. M. Shustov, M. E. Sachkov, S. G. Sichevsky, R. N. Arkhangelsky, et al., Solar System Research 55, No. 7 (2021).
  21. M. Sachkov, Ana Inés Gómez de Castro, B. Shustov, et al., Proc. SPIE., 12181 (2022).
  22. F. Schreier, S. Gimeno García, P. Hochstaffl, and S. Städt, Atmosphere 10, 5, 262 (2019).
  23. F. Schreier, S. G. Garcia, P. Hedelt, et al., Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer 137, 29 (2014).
  24. F. Schreier, S. Städt, P. Hedelt, and M. Godolt, Molecular Astrophysics 11, 1 (2018).
  25. H. Keller-Rudek, G. K. Moortgat, R. Sander, and R. Sörensen, The MPI-Mainz UV/VIS spectral atlas of gaseous molecules of atmospheric interest, Earth System Science Data, 5, 365–373 (2013).
  26. W. Schneider, G. K. Moortgat, J. P. Burrows, and G. S. Tyndall, Journal of Photochemistry and Photobiology. A: Chemistry 40, 195–217 (1987).
  27. G. Selwyn, J. Podolske, and H. S. Johnston, Geophysical Research Letters 4, 427–430 (1977).
  28. C. Y. R. Wu, B. W. Yang, F. Z. Chen, D. L. Judge, J. Caldwell, and L. M. Trafton, Icarus 145, 289–296 (2000).
  29. I. E. Gordon, L. S. Rothman, R. J. Hargreaves, et al., Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer 277, 107949 (2022).
  30. M. W. P. Cann, R. W. Nicholls, W. F. J. Evans, J. L. Kohl, et al., Applied Optics 18, 7, 964 (1979).
  31. D. R. Bates, Planel. Space Sa. 32, 6, 7855790 (1984).
  32. H. Trad, P. Higelin, N. Djebaïli-Chaumeix, and C. Mounaim-Rousselle, Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer 90, 275–289 (2005).
  33. J. Luque and D. R. Crosley, LIFBASE: database and spectral simulation Program (Version 1.5), SRI International Report MP 99-009 (1999).
  34. A. J. D. Farmer, V. Hasson, and R. W. Nicholls, Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer, 9 (1972).
  35. G. V. Marr, Proceedings of the Physical Society 83, 2 (1964).
  36. F. G. Eparvier and C. A. Barth, Journal of Geophysical Research 97, A9 (1992).
  37. J. B. Tatum, Astrophysical Journal Supplement 14, 21 (1967).
  38. J. R. Reisel, C. D. Carter, and N. M. Laurendeau, Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer 47, 1 (1992).
  39. R. Engleman and Jr. P. E. Rouse, Journal of Molecular Spectroscopy 37 (1971).
  40. A. Garcia Munoz, M. R. Zapatero Osorio, R. Barrena, et al., Astrophys. J. 755, 103 (2012).
  41. U. S. Standard Atmosphere, 1976 (U.S. Government Printing Office, Washington, D.C., 1976).
  42. G. P. Anderson, S. A. Clough, F. X. Kneizys, J. H. Chetwynd, and E. P. Shettle, Atmospheric Constituent Profiles (0–120 km) (AFGL), TR-86-0110 (1986).
  43. J. T. Emmert, D. P. Drob, J. M. Picone, D. E. Siskind, M. Jones, M. G. Mlynczak, et al. Earth and Space Science 8 (2021).
  44. A. Y. Chang, M. D. Di Rosa, and R. K. Hanson, Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer 47, №5, 375–390, (1992).
  45. M. D. Di Rosa and R. K. Hanson, Journal of Molecular Spectroscopy 164, № 1, 97–117 (1994).
  46. J. C. Gérard, C. A. Barth, Journal of Geophysical Research 82, 4 (1977).
  47. H. Rauer, S. Gebauer, P. v. Paris, J. Cabrera, et al., Astron. and Astrophys. 529, A8 (2011).
  48. L. Fossati, D. V. Bisikalo, H. Lammer, B. M. Shustov, M. E. Sachkov, et al., Astrophysics and Space Science 354, 1 (2014).
  49. M. Sachkov, B. Shustov, and Ana Inés Gómez de Castro, Proc. SPIE. 9144, 914402 (2014).
  50. A. Shugarov, I. Savanov, M. Sachkov, P. Jerram, et al., Astrophys. and Space Sci. 2014, 354, 1 (2014).
  51. D. E. Siskind, C. A. Barth, and R. G. Roble, Journal of Geophysical Research 94, A12 (1989a).
  52. D. E. Siskind, C. A. Barth, D. S. Evans, and R. G. Roble, Journal of Geophysical Research 94, A12 (1989b).
  53. M. L. Hill, K. Bott, P. A. Dalba, T. Fetherolf, et al., Astron. J. 165, 2 (2023).
  54. L. Kaltenegger and W. A. Traub, Astrophys. J. 698 (2009).
  55. A. Segura, K. Krelove, J. F. Kasting, D. Sommerlatt, et al., Astrobiology 3, 4 (2003).
  56. A. Segura, J. F. Kasting, V. Meadows, M. Cohen, et al., Astrobiology 5, 6 (2005).
  57. V. S. Meadows, G. N. Arney, E. W. Schwieterman, J. Lustig-Yaeger, et al., Astrobiology 18, 2 (2018).
  58. R. O. P. Loyd, E. L. Shkolnik, A. C. Schneider, T. Ri-chey-Yowell, et al., Astrophys. J., 890, 23, 21 (2020).
  59. P. Morrissey, T. Conrow, T. A. Barlow, T. Small, et al., Astrophys. J. Suppl. Ser. 173, 2 (2007).
  60. J. L. Linsky and M. Güdel, Exoplanet Host Star Radiation and Plasma Environment (In: Lammer H., Khodachenko M. (eds) Characterizing Stellar and Exoplanetary Environments. Astrophysics and Space Science Library, Springer, Cham., 411, 2015).
  61. И. С. Саванов, Астрофизический бюллетень 76, No. 2 (2021).
  62. S. R. Langhoff, C. W. Bauschlicher, and H. Partridge, Theoretical study of the NO γ system. The Journal of Chemical Physics 89, 8 (1988).
  63. T. Holstein, Physical Review 72, 12 (1947).
  64. V. I. Shematovich and M. Ya. Marov, Physics Uspekhi 61, 217–246 (2018).
  65. Г. Берд, Молекулярная газовая динамика (М.: Мир, 319, 1981).
  66. A. J. Pickles, Publ. Astron. Soc. Pacif. 110, 749 (1998).
  67. Z. Sviderskiene, Vilnius Astronomijos Observatorijos Biuletenis 80, 3 (1988).
  68. C. C. Wu, T. B. Ake, A. Bogges, et al., NASA Newsletter № 22 (1983).
  69. R. Barnes, R. Luger, R. Deitrick, P. Driscoll, et al., Publ. Astron. Soc. Pacif. 132, 1008, 61 (2020).
  70. R. K. Kopparapu, R. Ramirez, J. F. Kasting, V. Eymet, et al., Astrophys. J. 765, 2, 16 (2013).
  71. J.-C. Gérard, L. Soret, V. I. Shematovich, D. V. Bisikalo, and S. W. Bougher, Icarus 288, 284–294 (2017).
  72. C. P. Johnstone, M. L. Khodachenko, T. Lüftinger, K. G. Kislyakova, H. Lammer, and M. Güdel, Astron. and Astrophys. 624, L10 (2019).
  73. C. P. Johnstone, H. Lammer, K. G. Kislyakova, M. Scherf, and M. Güdel, Earth and Planetary Science Letters 576 (2021).
  74. R. Luger and R. Barnes, Astrobiology 15, 2 (2015).
  75. V. S. Airapetian, A. Glocer, G. V. Khazanov, R. O. P. Loyd, K. France, et al., Astrophys. J. Lett. 836, L3 (2017).
  76. O. Guyon, E. A. Pluzhnik, M. J. Kuchner, B. Collins, and S. T. Ridgway, Astrophys. J. Suppl. Ser. 167, 81Y99 (2006).
  77. A. Tavrov, S. Kameda, A. Yudaev, I. Dzyuban, et al., Journal of Astronomical Telescopes Instruments and Systems 4, 04, 1 (2018).
  78. A. Tavrov, O. Korablev, L. Ksanfomaliti, A. Rodin, P. Frolov, et al., Optics Letters 36, 11 (2011).
  79. P. Frolov, I. Shashkova, Y. Bezymyannikova, A. Kiselev, and A. Tavrov, Journal of Astronomical Telescopes, Instruments and Systems 2, 1 (2015).
  80. T. D. Robinson, K. R. Stapelfeldt, and M. S. Marley, Publ. Astron. Soc. Pacif. 128, 22 (2016).

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2.

Скачать (76KB)
Метаданные
3.

Скачать (398KB)
Метаданные
4.

Скачать (75KB)
Метаданные
5.

Скачать (435KB)
Метаданные

© Г.Н. Цуриков, Д.В. Бисикало, 2023