05.04.2009. - Изображения экзопланет на новых и старых снимках

Изображения экзопланет на новых и старых снимках

Канадский астроном Давид Лафреньер (David Lafreniere) из Торонтовского университета (University of Toronto) и его коллеги сумели выявить планету у молодой звезды HR 8799 на снимках 11-летней давности. Статью о новом исследовании можно найти на сайте электронных препринтов arXiv.org. У этой звезды в ноябре 2008 года группе астрономов из Канады, США и Великобритании под руководством Кристиана Маруа (Christian Marois) из канадского Института астрофизики имени Херцберга (Herzberg Institute of Astrophysics) удалось отыскать три спутника в ближнем инфракрасном диапазоне с помощью крупнейших гавайских наземных телескопов Gemini North и Keck II и адаптивной оптики, после чего астрономы и заинтересовались содержимым старых архивов. Нужно отметить, что в состав группы Маруа входил и Лафреньер (соответствующая публикация - в Science).

Фото с сайта http://www.nature.com/ HR 8799 находится от нас на расстоянии в 130 световых лет в созвездии Пегаса. По массе эта звезда примерно на 50% превосходит наше Солнце и, как выяснилось в прошлом году, окружена троицей массивных газовых гигантов (соответственно, 10, 10 и 7 масс Юпитера). Лафреньеру и его коллегам удалось обнаружить одну из планет на снимках 1998 года. Речь идет о фотографиях, сделанных в ближнем инфракрасном диапазоне камерой NICMOS (Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer - Камерой ближней инфракрасной области и многообъектным спектроскопом), установленной на космическом телескопе NASA "Хаббл" (Hubble). Используя новую технологию компьютерной обработки - "вычитания" звездного света и выявления слабого отблеска экзопланеты после тщательного моделирования наложением многих подобных источников, - группа Лафреньера смогла выявить наличие крайней экзопланеты из всей троицы (см. фото). Две другие экзопланеты оказались слишком близки к звезде, чтобы их разрешить подобным методом (помешало пятно коронографа, предназначенного для того, чтобы блокировать яркий свет родительской звезды).

Напомним, что практически одновременно с получением снимка планет у HR 8799 в инфракрасном диапазоне в конце прошлого года были опубликованы и замечательные фотографии, впервые позволившие нам разглядеть внесолнечные планетные системы, видимые в оптическом диапазоне - в отраженном свете своих далеких солнц. Незадолго до этого несколько экзопланет удалось также сфотографировать в инфракрасных лучах. Подобные достижения вполне заслуженно считаются новым этапом в изучении подобных объектов. Ведь ранее внесолнечные планетные системы находили лишь благодаря косвенным методам - отслеживая изменения, происходящие с родительскими (или фоновыми) звездами под влиянием планет (изучались, например, периодические колебания звезд под воздействием гравитации планет, наблюдались прохождения планет по звездному диску (так называемые транзиты), случаи гравитационного линзирования и т.п. - см. справку).

Регистрация планеты у звезды HR 8799 на старых снимках. С сайта http://blog.wired.com/ Регистрация планеты у звезды HR 8799 на старых снимках. С сайта http://blog.wired.com/

До нового поворота в деле поиска иных миров ждать оставалось немного: теперь астрономы придумали "хитрость", позволяющую отыскивать экзопланеты на старых снимках, на которых раньше никто ничего подобного не видел. Уже подсчитано, что новый метод поможет отыскать в архивах еще по меньшей мере сотню или две ранее неизвестных экзопланет, а также подтвердить существование систем, найденных с помощью более привычных методов. В результате можно будет уточнять параметры планетных орбит, массу планет и т.д.

Период обращения вокруг звезды изучаемой планеты составляет около четырех сотен лет, так что любой дополнительный снимок, отстоящий по времени от уже имеющегося на десятилетие, представляет большую ценность.

Как попасть в китовую пасть

Вообще получение снимков планет, обращающихся вокруг иных звезд, можно смело считать одним из основных научных достижений 2008 года. На этом сошлись и эксперты, и журналисты, и любители астрономии, проголосовавшие на конкурсе АстроТопа. И едва ли не важнейший успех приходится на долю того же "Хаббла", которому удалось сфотографировать сравнительно небольшую планету у вполне "нормальной" звезды в оптическом, а не в инфракрасном диапазоне. Речь о Фомальгауте (HD 216956). Фомальгаут - это самая яркая звезда в созвездии Южной Рыбы и 17-я по яркости звезда на всем ночном небе. Она находится от нас на расстоянии в 25 световых лет и по своей массе примерно вдвое превосходит наше собственное светило. Название звезды в переводе с арабского означает "пасть кита".

Кольцо вокруг Фомальгаута. Изображение NASA с сайта hubblesite.org Кольцо вокруг Фомальгаута. Изображение NASA с сайта hubblesite.org

Автором открытия стала группа американского астронома Пола Каласа из Калифорнийского университета в Беркли. Калас сосредоточился на изучении Фомальгаута еще 15 лет назад, будучи аспирантом, после того, как у этой звезды удалось зарегистрировать пылевой диск. В 1998 году радионаблюдения в субмиллиметровом диапазоне показали, что диск из холодной пыли образует гигантское кольцо вокруг центральной звезды, что напоминает пояс Койпера в нашей Солнечной системе. В 2004 году Калас с помощью Усовершенствованной камеры для обзоров (Advanced Camera for Surveys - ACS) "Хаббла" изучил распределение пыли в пределах этого пояса, а три года назад, в 2005 году, он показал, что внутренний край этого диска имеет четкую границу, свидетельствующую о присутствии какого-то гравитирующего объекта-"пылесборника" (это похоже на наличие спутников в щелях колец Сатурна). "Мы предсказывали это в 2005 году, и теперь у нас есть прямое тому доказательство", - пояснил соавтор Каласа Джеймс Грэм.

На изображении, полученном "Хабблом" в 2006 году, мы видим диск из пыли и обломков (светлый овал) возле Фомальгаута и светлую точку планеты (она выделена отдельно в выноске). Планета, масса которой не превышает массу трех юпитеров, находится у внутренней кромки пылевого диска (представляющего собой на самом деле кольцо с дырой, вырезанной вокруг звезды). Взаимодействие с этим пылевым "кольцом" и служит дополнительным доводом в пользу "настоящести" планеты (о чем речь еще пойдет ниже). Темный участок в центре - это пятно от коронографа, блокирующего свет от излишне яркого светила (оно в 100 миллионов раз ярче самой планеты). Имеется уже две фотографии этой экзопланеты, полученные в 2004 и 2006 годах, которые свидетельствуют о том, что планета движется по орбите в полном соответствии с законами небесной механики. За 21 месяц сдвиг был именно таким, как и положено планете, находящейся на 872-летней орбите на расстоянии 119 астрономических единиц от светила (это почти 18 миллиардов километров, ведь 1 астрономическая единица - средняя дистанция от Земли до Солнца - равна примерно 150 миллионам километров). "Я чуть было не получил сердечный приступ в конце мая, когда удалось подтвердить, что Фомальгаут b движется по орбите вокруг своей родительской звезды", - говорит Калас. Новооткрытая планета (Фомальгаут b), вероятно, близка по массе к Юпитеру, но при этом удалена от своей звезды в четыре раза дальше, чем Нептун от Солнца.

Из-за относительно низкой массы и удаленности орбиты этот объект не мог быть обнаружен более привычными на сегодняшний день методами. Не удалось его увидеть и в инфракрасном диапазоне, ведь тепловое свечение испускают в основном еще не охладившиеся протопланеты, а "готовые" планеты светят отраженным светом в оптическом диапазоне. Открытие планеты у Фомальгаута в оптическом диапазоне стало своего рода неожиданностью, поскольку произошло лишь благодаря ее исключительной яркости (объект, вероятно, обладает очень высоким альбедо). Скорее всего, планета b в настоящее время и сама окружена внушительными кольцами, пыль и обломки в которых со временем слипнутся в какое-то подобие четырех юпитерианских спутников Галилея. Если мы способны уловить свет от данной планеты, то это может означать, что она окружена кольцами настолько широкими и яркими, что им обзавидовался бы сам Сатурн. Впрочем, когда-то и наши планеты-гиганты могли обладать подобными кольцами (когда возраст Солнечной системы исчислялся сотнями миллионов лет).

Сообщение об открытии обнародовано 14 ноября 2008 года в журнале Science. Еще в одной статье в Astrophysical Journal дополнительно анализируется взаимодействие между планетой и пылевым диском Фомальгаута с тем, чтобы произвести оценку массы планеты. Не исключено также, что в системе Фомальгаута вскоре отыщется по крайней мере еще одна планета. Юджин Чан, доцент Калифорнийского университета в Беркли и ведущий автор статьи в Astrophysical Journal поясняет, что каждая планета при своем движении по орбите создает так называемую зону хаоса, и за счет гравитационных взаимодействий из такой зоны со временем выметается большая часть частиц. С увеличением массы планеты эта зона растет, а значит, по размерам "зоны хаоса" вокруг Фомальгаута b можно примерно оценить и массу планеты. Она, как уже говорилось, сопоставима с массой Юпитера и уж во всяком случае не должна превышать массу трех юпитеров. Значит, это именно что большая планета, а не коричневый карлик, обращающийся вокруг Фомальгаута.

Снимки Фомальгаута b в 2004 и 2006 гг. Желтым эллипсом отмечена орбита, соответствующая по размерам орбите Нептуна. NASA, ESA, P. Kalas и др.

Чан считает, что дополнительные исследования могут ограничить массу новооткрытой планеты до 0,3-2 масс Юпитера, а скорее всего ее признают равной одной юпитерианской массе. Любое более массивное тело неизбежно должно было бы "выгрызть" заметно большую часть пылевого диска вокруг звезды, простирающегося на расстояния от 133 до 200 астрономических единиц от Фомальгаута (планета отстоит от его края на 18 а.е.).

Возраст Фомальгаута составляет около 200 миллионов лет, но так как эта звезда гораздо массивнее нашего Солнца, то жить ей осталось не так долго, как нашему светилу; она будет гореть еще примерно миллиард лет, а затем последует взрыв и превращение в нейтронную звезду (возраст нашего Солнца - 4,5 миллиарда лет, и ожидается, что его топлива хватит еще на 5 миллиардов лет). Свою короткую жизнь Фомальгаут проживет ярко - он светит в 16 раз ярче Солнца, что, собственно, позволяет с орбиты его планеты видеть свою звезду столь же яркой, как Солнце, видимое с орбиты Нептуна (несмотря на то, что b находится в четыре раза дальше от Фомальгаута, чем Нептун от Солнца). Интересно, что планета за время наблюдений в 2004-2006 годы уменьшала свой блеск в два раза. Исследователи объясняют эту странность наличием газовых конвективных потоков на внутренней границе кольца возле планеты.

Теперь астрономы с нетерпением ожидают новых данных, подтверждающих наличие Фомальгаута b, уточняющих его орбиту, выявляющих настоящий источник аномальной яркости в видимом диапазоне и т.д. К тому же существует еще много пустого пространства между пылевым диском и самой звездой - там могут поместиться и другие планеты со стабильными орбитами. "Вероятно, нам придется еще дождаться запуска нового космического телескопа "Джеймс Вебб" (James Webb Space Telescope), который позволит составить более четкое представление о ближайшем к звезде регионе, где могли бы существовать планеты, имеющие на своей поверхности запасы жидкой воды", - говорит Калас (запуск этого телескопа намечен на 2013 год).

Как отмечает Калас, все предыдущие сообщения о получении фото экзопланет обладали одним существенным недостатком: за планету могли принять более массивный коричневый карлик, который на самом деле представляет собой неудавшуюся звезду (массой свыше 13 масс Юпитера) и на ранних этапах жизни ярко светится в инфракрасном диапазоне (поэтому-то пресс-релизы и вслед за ними новостные сайты писали про получение самой первой фотографии инозвездной планеты).

Российский астрофизик Сергей Попов из Астрономического института имени Штернберга при МГУ считает в работе, посвященной Фомальгауту, примечательным прежде всего то, "что нашли именно то, что искали". Значит, наши представления о динамике остаточных дисков оказались в принципе верными. Ведь о наличии планеты в пылевом диске Фомальгаута с уверенностью говорили еще несколько лет назад. При этом всегда, конечно, оставались (и остаются) кое-какие необъясненные детали, что и неудивительно: мы еще плохо понимаем устройство таких образований. По мнению Сергея Попова, по отдельности все открытия в области внесолнечных планет ушедшего года могли и не выглядеть такими уж революционными, однако в сумме они "набрали много очков", что позволяет говорить об очень важной тенденции в астрономии. Эту тенденцию можно обозначить как "разнообразие интересных данных по экзопланетам".

Миров воззрение

Нужно отметить, что на самом деле одно из первых реальных сообщений о получении фотографии гигантской внесолнечой планеты (у коричневого карлика 2MASSWJ 1207334-393254, расположенного от нас на расстоянии в 225 световых лет в южном созвездии Гидра) появилось еще в апреле 2004 года. Первоначально этот объект был обнаружен астрономами, использующими Очень Большой Телескоп (Very Large Telescope - VLT) Южной европейской обсерватории в Чили. Оценка массы дала величину примерно в 5 масс нашего Юпитера, а расстояние от этой планеты до родительской звезды по крайней мере на 30% превышает расстояние между Плутоном и Солнцем, так что ей требуется 2,5 тысячи лет, чтобы совершить один виток вокруг своего светила. Этот кандидат в планеты был обнаружен с помощью адаптивной оптики (позволяющей компенсировать эффект турбулентности земной атмосферы) и снимка в инфракрасных лучах. Яркость его составила одну семисотую от яркости коричневого карлика (в тех длинах волн, что использовались при наблюдении с VLT). В январе 2005 года пришло подтверждение этого открытия. Новое исследование было проведено с помощью того же "Хаббла" и его инфракрасной камеры NICMOS.

Звезда 1RSX J160929.1-210524 и окрестности. Кандидат в планеты массой в восемь юпитеров обведен кружком. Изображение получено с помощью системы адаптивной оптики Gemini Altair. Фото Gemini Observatory с сайта www.gemini.edu Звезда 1RSX J160929.1-210524 и ее окрестности. Кандидат в планеты массой в восемь юпитеров обведен кружком. Изображение получено с помощью системы адаптивной оптики Gemini Altair. Фото Gemini Observatory с сайта www.gemini.edu

А в сентябре 2008 года три канадских астронома из Торонтовского университета объявили о том, что им, возможно, удалось получить первую фотографию планеты, обращающейся возле звезды, похожей на Солнце. Новое достижение стало реальностью благодаря использованию Gemini North и системы адаптивной оптики. Помимо снимка (в инфракрасном диапазоне) окрестностей молодой звезды 1RXS J160929.1-210524, находящейся о нас приблизительно в полутысяче световых лет в направлении на созвездие Скорпиона, были получены также спектральные данные, подтверждающие планетарную природу компаньона, масса которого приблизительно в восемь раз превышает массу Юпитера. Расстояние от новообнаруженного объекта до родительской звезды - 330 а.е. (тогда как самая удаленная от Солнца планета в нашей Солнечной системе - Нептун - находится на расстоянии всего 30 а.е.). Родительская звезда спектрального класса K7 по своей массе лишь немногим уступает Солнцу (85%), однако гораздо моложе его - ей всего 5 миллионов лет. Ведущий автор соответствующей статьи в Astrophysical Journal Letters - уже упомянутый Давид Лафреньер. Астрономы отмечают, что вероятность того, что найденный объект случайно спроецировался на окрестности молодой звезды, довольно мала, однако она все-таки существует. И потребуется порядка двух лет на то, чтобы подтвердить, что звезда и ее вероятная планета перемещаются по космосу в одном направлении. Так что любая другая фотография инозвездной планеты пока что еще может условно называться "самой первой".

Фотография экзопланеты у Беты Живописца (светлое пятнышко левее и выше центра). Фото ESO/A.-M. Lagrange et al. с сайта ESO Фотография экзопланеты у Беты Живописца (светлое пятнышко левее и выше центра). Фото ESO/A.-M. Lagrange et al. с сайта ESO

Не прошла и пара недель после обнародования информации об открытии планеты у Фомальгаута и у HR 8799, как стало известно об открытии французских астрономов под руководством Анны-Мари Лагранж из Гренобльской обсерватории. Им удалось получить изображение экзопланеты, расположенной к своей родительской звезде ближе, чем какая-либо иная планета на других подобных снимках. Речь идет об уже хорошо изученной молодой звезде (возрастом около 12 миллионов лет) - Бете Живописца (второй по яркости в созвездии Живописца), находящейся от нас на расстоянии около 63 световых лет. Новообнаруженный объект так же корректнее пока называть кандидатом в планеты, поскольку еще предстоит подтвердить, что это не коричневый карлик и не фоновая звезда. Последнее, впрочем, почти исключено, поскольку вероятность того, что посторонний объект окажется столь близким (спроецируется на орбиту, по размерам чуть меньше орбиты нашего Сатурна, это 8 астрономических единиц), чрезвычайно мала.

Свидетельства наличия подобной планеты появились в 2006 году, когда стало известно о существовании у Беты Живописца не одного, а сразу двух пылевых дисков. Плоскость второго диска меньшего размера имеет небольшой наклон по отношению к плоскости основного диска. Появление такого диска проще всего объяснить космическим катаклизмом. Сформировавшаяся некогда планета массой от одной до 20 масс Юпитера могла быть выброшена из основного диска в ходе гравитационных взаимодействий с другими небесными телами. Французские астрономы, возможно, нашли теперь именно ту самую искомую планету. Открытие было совершено в ходе повторного анализа инфракрасных снимков окрестностей звезды, сделанных еще в 2003 году Очень Большим Телескопом. Для их получения была задействована система адаптивной оптики, включающая в себя зеркало переменной формы, которое компенсирует искажения, возникающие из-за турбулентности земной атмосферы. Согласно оценкам, масса новооткрытой планеты должна составить около 8 юпитерианских масс, что опять же подозрительно близко подходит к границе, отделяющей планеты от коричневых карликов.

Максим Борисов

http://grani.ru/Society/Science/m.149439.html