Кратко — где кто сильнее, почему, и оптимальная комбинация инструментов для спектроскопии атмосферы транзитной супер‑Земли на 30 пк.
1) Сравнение сильных сторон ELT (TMT/ELT) и космоса (HST/JWST/LUVOIR/HabEx)
- Наземные ELT — преимущества
- Высокая угловая разрешающая способность (дифракционный предел $\theta \sim \lambda /D$) и огромная светосборная площадь → высокая чувствительность для слабых источников в оптическом/ближнем ИК при AO.
- Очень высокая спектральная разрешающая способность ($R\sim 10^5$) для высокодисперсионной спектроскопии (HRS): позволяет выделять планетные линии по доплеровскому сдвигу и применять cross‑correlation; эффективна для детекции молекул даже при сильных земных линиях.
- Большая собирательная площадь сокращает время на многократные наблюдения (многотранзитные программы).
- Лучше для прямого визуального разделения и спектроскопии достаточно широких/близких пар и для исследования населённых областей галактик и звёздных скоплений на высокой пространственной частоте.
- Космические обсерватории — преимущества
- Отсутствие атмосферы: полный доступ в UV и в диапазоны, полностью/частично поглощаемые земной атмосферой (UV < 300 nm, многие ИК‑полосы), нет переменных телескопических эффектов (высокая фотометрическая стабильность: цель — десятки ppm или лучше).
- Низкий тепловой фон в средне‑ и дальне‑ИК (ключево для спектров 5–20 µm).
- Стабильная длинная серийная фотометрия (транзитные наблюдения без прерываний, отсутствие переменных атмосферных эффектов).
- Коронаграфы/starshade на LUVOIR/HabEx для прямой спектроскопии/фотометрии малых планет в видимом/NUV с очень низким контрастом.
Заключение: оптимально комбинировать — космос для высокостабильной, широкополосной и mid‑IR/UV спектроскопии, ELT для высокого $R$ и глубоких, высокопространственных/высокочувствительных наблюдений (особенно HRS + AO).
2) Оценка сигнала транзитной спектроскопии и требуемая чувствительность (примерные расчёты)
Эффективная амплитуда сигнала спектроскопического следа ≈ площадь атмосферы ~$2NH{R}_p/R_{\ast }^2$, где $N$ — число масштабных высот (~5), $H$ — масштабная высота:
$$\Delta F\sim \frac{2NH{R}_p}{R_{\ast }^2}.$$ Масштабная высота $H=\frac{k_{B}T}{\mu m_{u}g}$, $g=\frac{G{M}_p}{R_p^2}$.
Пример (супер‑Земля: $R_p=1.5R_{\oplus },M_p=5M_{\oplus }$ → $g\approx 21.8m/{\mathrm{s}}^2$):
- для H2‑богатой атмосферы ($\mu \approx 2$, $T=500$ K) получаем $H\sim 9.5\times 10^4$ m → для звезды M5 ($R_{\ast }=0.2R_{\odot }$) сигнал порядка
$$\Delta F\sim 4.7\times 10^{-4}(\sim 470\mathrm{ppm}).$$ - для тяжёлой атмосферы ($\mu \approx 28$) при тех же $T$ $H\sim 6.8\times 10^3$ m → та же планета вокруг M5 даёт
$$\Delta F\sim 3.4\times 10^{-5}(\sim 34\mathrm{ppm}),$$ а вокруг солнеподобной звезды эти числа падают в $\sim 10^{-5}$–$10^{-6}$ диапазон (требуют чувствительности $\ll 10$ ppm).
Вывод: для супер‑Земли на 30 пк транзитная спектроскопия реалистична при благоприятной геометрии (транзит на маленькой M‑звезде) и/или при H2‑разрежённой атмосферe; для тяжёлой/плотной атмосферы требуется либо много транзитов, либо комбинированные методы.
3) Оптимальное сочетание инструментов (конкретная «рецептура») для спектроскопии атмосферы транзитной супер‑Земли на 30 пк
- Космос (обязательный компонент)
- Телескоп: большой и стабильный (JWST/LUVOIR‑класс).
- Низкое/среднее разрешение для полного спектра: покрытие $\sim 0.3$–$5\mu \mathrm{m}$ (видимый → ближний ИК) с $R\sim 100$–$R\sim 3000$ для обнаружения широких молекулярных бэндов (H2O, CO2, CH4, O3).
- Средне/дальне‑ИК ($5$–$12\mu \mathrm{m}$) для CO2, O3, CH4 (JWST/MIRI‑тип): критично из космоса из‑за низкого фона.
- Требования к стабильности: относительная фотометрическая/спектрофотометрическая стабильность на уровне $\lesssim 20$ ppm на времена транзита для детекции слабых (~10s ppm) признаков.
- Одновременно широкая полоса и минимум переключений (однонаправленный спектр в транзите уменьшает систематику).
- Наземный ELT (обязательное дополнение)
- AO‑подкормленный, высокоэффективный NIR‑спектрограф с одномодовой подачей (фибра) и лазерной гребёнкой для калибровки:
- диапазон: $\sim 0.9$–$2.5\mu \mathrm{m}$ - $R\sim 100,000$ - высокая пропускная способность и стабильность на время транзита
- Оптический высокоразрешающий спектрограф ($0.4$–$0.9\mu \mathrm{m}$, $R\sim 100,000$) для линии O2 (A‑band 0.76 µm) и других оптических молекул/атмосферных эффектов.
- Метод: HRS + cross‑correlation — выделение планетных шаблонных линий по доплеру; особенно сильный против земных линий, если планетная сигнатура смещается в ходе орбиты.
- Ресурс: много транзитов может быть накоплено быстрее благодаря площади ELT.
- Обработка/стратегия наблюдений (важно)
- Скоординировать: космос — широкая полосовая идентификация молекул и континуум; ELT HRS — подтверждение отдельных молекул, измерение ветров/скоростей, точные линии.
- Telluric correction: на ELT — моделирование + использование быстрой смены стандартов и LFC; на космосе — не требуется.
- Требуемое число транзитов: ориентировочно
- H2‑богатая атмосфера вокруг яркого M‑карлика: 1–3 транзита с JWST для обнаружения сильных бэндов; ELT HRS может подтвердить одной‑двух ночей.
- Тяжёлая атмосфера (сигнал $\sim 30$ ppm): десятки транзитов с JWST или несколько транзитов с LUVOIR, плюс многотранзитная HRS‑кампания на ELT (суммарно $>$10 транзитов).
- Синергия даёт лучшее ограничение: космос = абсорбционные бэнды и континуум (температурная структура, облака), ELT HRS = молекулярные линии, динамика атмосферы, точные скорости/изотопы.
4) Конкретные целевые параметры инструментов (короткий список спецификаций)
- Космос (транзитный спектрограф):
- диапазон: $0.3$–$5\mu \mathrm{m}$ (обязательно), дополнительно $5$–$12\mu \mathrm{m}$ желателен;
- разрешение: $R\sim 100$ (призм/PRISM) — широкие бэнды; $R\sim 1000$–3000 — для более точных профилей;
- стабильность: $\lesssim 20$ ppm на длительности транзита;
- одновременная спектральная полоса и минимальная перестройка в течение транзита.
- ELT (HRS):
- диапазон: оптика $0.4$–$0.9\mu \mathrm{m}$ и NIR $0.9$–$2.5\mu \mathrm{m}$;
- разрешение: $R\sim 100,000$;
- калибровка: лазерная гребёнка (LFC);
- AO/одномодовая фибра для стабильной профилировки PSF и максимальной контрастности;
- программный пайплайн для удаления tellurics и cross‑correlation.
5) Итог — практическая рекомендация
- Для супер‑Земли на 30 пк оптимально сочетание: космическая широкополосная, высокостабильная транзитная спектроскопия (JWST/LUVOIR для выявления и количественного анализа бэндов) + наземная высокоразрешающая спектроскопия на ELT для подтверждения молекул, измерения скорости ветров и борьбы с систематиками. Без космоса многие ключевые диапазоны (mid‑IR, UV, стабильность) недоступны; без ELT невозможно получить высокоразрешающую молекулярную диагностику и быстрый сбор большого числа транзитов на слабых мишенях.
Если нужно — могу прикинуть примерное число транзитов/время наблюдений для конкретной комбинации звезда/параметры планеты/магнитуда.