Насколько распространены экзопланеты земного типа, также называемые экзоземлями, и на какие экзопланетные системы нам следует ориентироваться, чтобы найти их? Именно на это надеется обратить внимание в ходе исследования, в ходе которого группа исследователей изучала потенциальные цели для планируемой обсерватории обитаемых миров (HWO), которая была рекомендована в ходе десятилетнего обзора по астрономии и астрофизике 2020 (Astro2020) и запуск которой запланирован на 2040-е годы. Исследование опубликовано на сервере препринтов arXiv.
Прежде всего, HWO будет использовать метод прямой визуализации для идентификации экзоземель, и это исследование обладает потенциалом для создания более эффективного с научной точки зрения подхода к идентификации и изучению экзопланет.
В этой статье Universe Today обсуждает это невероятное исследование с доктором Стивеном Кейном, профессором планетарной астрофизики Калифорнийского университета в Риверсайде и ведущим автором исследования, о мотивации исследования, важных результатах, потенциальных системах-кандидатах для идентификации экзоземель, значении использования метода прямой визуализации и о том, как это исследование может повлиять на десятилетний обзор 2030 года. Итак, какова была мотивация этого исследования?
"Обсерватория обитаемых миров (HWO) - это миссия по получению прямых изображений, которая была приоритетной в последнем десятилетнем обзоре астрофизики", - говорит доктор Кейн в интервью Universe Today.
"Частью текущих усилий является отбор наиболее подходящих звезд, которые станут объектами наблюдений HWO. В настоящее время в списке объектов HWO, с которыми работает сообщество, есть список из 164 звезд. Поскольку известно, что у некоторых объектов HWO уже есть планеты, я провел динамический анализ этих систем, чтобы определить, может ли планета земной группы в Обитаемой зоне (HZ) поддерживать стабильную орбиту."
Из этих 164 звезд, включенных в исследование, 30 содержат в общей сложности 70 известных планет: 11 систем с одной планетой, семь систем с двумя планетами, шесть систем с тремя планетами, четыре системы с четырьмя планетами, одна система с пятью планетами и одна система с шестью планетами.
Система с пятью планетами называется HD 75732, более известная как 55 Рака, и расположена примерно в 41 световом году от Земли. Размеры пяти планет варьируются от восьми масс Земли (планета e) до приблизительно трех масс Юпитера (планета d), при этом орбита планеты f, по крайней мере, частично пересекает HZ на протяжении своей приблизительно 260-дневной орбиты.
Система с шестью планетами называется HD 219134, также называемая Gliese 892, и расположена примерно в 21 световом году от Земли. Размеры шести планет варьируются от приблизительно 4,37 масс Земли (планета c) до более чем 98 масс Земли (планета h), при этом предполагается, что орбита планеты g частично пересекает HZ во время своего обращения, основываясь на исследованиях 2015 и 2021 годов.
Для исследования ученые использовали серию компьютерных моделей, чтобы рассчитать вероятный размер обитаемой зоны каждой звезды, называемой динамически жизнеспособной обитаемой зоной (DVHZ).
Затем команда поместила планету земной группы в зону обитаемости, чтобы выяснить, сможет ли она поддерживать стабильную орбиту в течение 10 000 000 лет, согласно компьютерной модели, основанной на текущем населении планет в каждой системе, также известной как системная архитектура. Итак, каковы были наиболее значимые результаты исследования и какие последующие исследования находятся в стадии разработки?
"Мы исследовали 30 звезд из целевого списка HWO и обнаружили, что 11 из них имеют частоту вращения, на которую сильно влияет наличие в системе планеты-гиганта", - рассказывает доктор Кейн в интервью Universe Today.
"Это показывает, что необходимо провести гораздо более тщательный анализ оставшихся двух звезд-мишеней, чтобы определить, могут ли у них возникнуть аналогичные динамические проблемы. Мы уже планируем провести детальное исследование лучевой скорости этих звезд для поиска дополнительных планет".
Относительно того, какие экзопланетные системы являются наиболее перспективными кандидатами для выявления экзоземель, доктор Кейн говорит в интервью Universe Today: "На самом деле, в нашем исследовании мы выявляем наименее перспективные объекты, исключая присутствие планет с массой Земли в пределах этих систем. Среди этих систем есть яркая звезда пи Менса, в которой находится планета-гигант, орбита которой регулярно приводит к ее прохождению через HZ, гарантируя, что там не может существовать пригодных для жизни планет."
Идентификация и изучение экзопланет проводится с помощью различных методов обнаружения, включая прохождение, определение лучевой скорости, гравитационное микролинзирование, синхронизацию и прямое получение изображений. Для использования метода транзита астрономы собирают данные о падении звездного света, которое происходит, когда экзопланета проходит перед ними.
Что касается метода определения лучевой скорости, то астрономы обнаруживают крошечные колебания, которые проявляет звезда, притягивая к себе экзопланету, вращающуюся вокруг нее. В методе гравитационного микролинзирования астрономы используют гравитационное поле звезды в качестве линзы, когда оно почти точно совпадает с удаленной звездой, увеличивая отдаленную звезду в пределах гравитационного поля передней звезды. Когда это происходит, гравитационное поле существующей экзопланеты в передней звезде влияет на гравитационное поле передней звезды.
Для определения времени, также называемого методом изменения времени прохождения, астрономы использовали данные экзопланеты, которая была обнаружена с помощью метода прохождения, чтобы попытаться найти другие планеты в системе, обнаружив изменения во времени первой планеты, вызванные другой планетой.
Для получения прямой визуализации астрономы использовали коронограф, который блокировал яркость звезды, выявляя экзопланеты, которые в противном случае были бы потеряны в ярком свете звезды.
Из 5743 экзопланет, подтвержденных НАСА, 74,5% получены с помощью метода транзита, 19% - с помощью метода лучевой скорости, 3,9% - с помощью микролинзирования, 1,4% - с помощью метода прямой визуализации, 0,52% - с помощью метода изменения времени прохождения, а остальные - с помощью других методов, включая затмение временные вариации, модуляция яркости орбиты, синхронизация пульсаров, астрометрия, временные вариации пульсаций и кинематика диска.
В рамках планируемой обсерватории "Обитаемые миры" астрономы планируют использовать метод прямой визуализации, несмотря на то, что он позволяет получить одно из самых низких значений числа обнаруженных экзопланет. Итак, почему для миссии HWO был выбран метод прямой визуализации и является ли прямая визуализация наиболее эффективным методом для идентификации экзоземел? Если нет, то какие методы будут работать лучше всего?
"В настоящее время мы в основном используем косвенные методы для обнаружения и характеристики экзопланет", - говорит доктор Кейн в интервью Universe Today.
"Хотя эти методы могут быть использованы для определения таких свойств планет, как масса, радиус и некоторый состав атмосферы, это может быть достигнуто только для очень ограниченного числа планет. Прямая визуализация дает гораздо больше дополнительной информации, такой как подробный состав атмосферы, и даже может быть использована для определения рельефа поверхности и скорости вращения".
Как уже отмечалось, HWO был рекомендован в ходе десятилетнего обзора по астрономии и астрофизике 2020 (Astro2020), последний из которых спонсируется Национальным исследовательским советом Национальной академии наук и представляет собой отчет, проводимый примерно каждые 10 лет для определения текущего состояния области астрономии и астрофизики и направления ее развития. исследований на следующие 10 лет.
Наряду с дальнейшими исследованиями черных дыр, нейтронных звезд и эволюции галактик, Astro2020 также уделяла особое внимание поиску пригодных для жизни экзопланет и внеземной жизни, и HWO родилась из предыдущих предложенных миссий, известных как Обсерватория обитаемых экзопланет (HabEx) и Большой ультрафиолетовый оптико-инфракрасный исследователь (LUVOIR).
Таким образом, учитывая, что HWO был рекомендован десятилетним исследованием 2020 года, как результаты этого исследования могут повлиять на HWO, обсуждаемое в десятилетнем исследовании 2030 года?
"Наши результаты уточняют список целей HWO и, таким образом, повышают научную ценность миссии", - говорит доктор Кейн в интервью Universe Today.
"Устранение ближайших ярких объектов может означать, что HWO придется переключиться на более тусклые цели, для чего, в свою очередь, может потребоваться телескоп большего размера для достижения тех же целей. HWO - захватывающая миссия, которая позволит получить невероятное представление о распространенности обитаемых планет. Чем больше мы узнаем о ближайших планетных системах, тем больше шансов на успех у HWO".
