В настоящее время подтверждено наличие 5788 экзопланет в 4326 звездных системах, в то время как тысячи других кандидатов ожидают подтверждения. До сих пор подавляющее большинство этих планет были газовыми гигантами (3826) или суперземлями (1735), в то время как только 210 были "землеподобными", то есть скалистыми планетами, сходными по размеру и массе с Землей.
Более того, большинство этих планет были обнаружены на орбитах в звездных системах типа М (красных карликов), в то время как лишь немногие из них были обнаружены на орбитах солнцеподобных звезд. Тем не менее, до сих пор не было обнаружено ни одной планеты земного типа, вращающейся в пределах обитаемой зоны (ГЦ) звезды, подобной Солнцу.
Во многом это связано с ограничениями существующих обсерваторий, которые не смогли обнаружить планеты размером с Землю с более длительными периодами обращения (от 200 до 500 дней). Именно здесь в дело вступают инструменты нового поколения, такие как программа ЕКА "Планетарные транзиты и колебания звезд" (PLATO).
Эта миссия, запуск которой запланирован на 2026 год, проведет четыре года, исследуя до 1 миллиона звезд в поисках признаков планетарных транзитов, вызванных каменистыми экзопланетами. В недавнем исследовании международная группа ученых рассмотрела, что, вероятно, увидел бы PLATO, основываясь на том, что он увидел бы, наблюдая за самой Солнечной системой.
Исследованием руководил Андреас Ф. Кренн, аспирант Института космических исследований Австрийской академии наук. К нему присоединились исследователи из Астрономической обсерватории Женевского университета, Университета Экс-Марсель, Колумбийской астрофизической лаборатории, Института астрофизики им. Лейбница в Потсдаме (AIP), Института астрономии в КУ Левен, Национального центра атмосферных исследований и обсерватории по исследованию солнца и окружающей среды Канцельхоэ в Королевском университете. Университет Граца.
Как они отмечают в своем исследовании, планета, похожая на Землю, вращающаяся вокруг звезды G-типа, была бы главной целью для поиска биосигналов. К ним относятся газообразный кислород, углекислый газ, метан, аммиак и водяной пар в атмосфере, а также признаки фотосинтеза, происходящего на поверхности, то есть красный край растительности (VRE). Это было очень сложно для телескопов, поскольку планеты, похожие на Землю, с большей вероятностью вращаются ближе к звездам, похожим на Солнце, что затрудняет получение данных об их атмосферах с помощью прямых изображений или спектров пропускания.
Этот последний метод включает транзитную фотометрию (или Транзитный метод), при котором астрономы измеряют кривую блеска удаленных звезд на предмет периодических падений яркости. Это часто является результатом прохождения экзопланет перед звездой (т.е. транзита) относительно наблюдателя.
На сегодняшний день подавляющее большинство экзопланет — более 4300, или 74,5% — были подтверждены с использованием этого метода. При благоприятных условиях астрономы иногда наблюдают за светом, проходящим через атмосферу экзопланеты, который затем изучается с помощью спектрометров для определения его химического состава.
Но, как сообщил Кренн в интервью Universe Today по электронной почте, это стало серьезной проблемой для астрономов:
"Основная трудность заключается в слабых сигналах, которые генерируют такие планеты. Например, амплитуда лучевой скорости Земли составляет примерно 0,1 м/с. Это примерно скорость гигантской галапагосской черепахи. Это означает, что если удаленный наблюдатель захочет увидеть движение Солнца вокруг общего центра масс системы Земля-Солнце, ему нужно будет увидеть, как солнце движется со скоростью гигантской галапагосской черепахи на расстоянии световых лет.
"Аналогично, относительное количество излучения Солнца, которое блокируется Землей, когда удаленный наблюдатель наблюдает, как Земля проходит по солнечному диску, составляет 84 части на миллион, что составляет 0,0084%. Таким образом, удаленный наблюдатель должен был бы увидеть, что свет этой звезды потускнел на 0,0084%, чтобы обнаружить Землю".
Более того, Кренн добавил, что существующие спектрографы недостаточно точны для измерения таких слабых сигналов. В то время как миссии по поиску экзопланет, такие как спутник ЕКА для определения характеристик экзопланет (CHEOPS), смогли получить спектры транзитных экзопланет, для достижения такой точности потребовалось несколько транзитных событий. Это непросто, когда имеешь дело с планетами, подобными Земле, с более длительными периодами обращения, которые составляют от 200 до 500 дней. Наконец, инструментальные эффекты и звездная изменчивость могут быть на порядки больше, чем планетарный сигнал.
Ожидается, что ситуация значительно изменится с появлением космического телескопа ЕКА следующего поколения "Планетарные транзиты и колебания звезд" (PLATO). Эта миссия будет основана на использовании нескольких телескопов с использованием 26 камер, включая 24 "обычные" камеры, организованные в 4 группы, и 2 "быстрые" камеры для наблюдения за яркими звездами. Эти приборы будут непрерывно наблюдать за одним и тем же участком неба в течение как минимум двух лет, чтобы обнаружить сигналы о прохождении планет, похожих на Землю, вокруг солнечных аналогов. Сказал Кренн:
"Фотометрический прибор PLATO будет достаточно точным, чтобы обнаружить прохождение планеты, похожей на Землю, вокруг звезды, похожей на Солнце, с помощью одного события прохождения. Мы надеемся, что при поддержке программы "Звездная изменчивость" и наземных исследований мы сможем правильно объяснить влияние источников шума. Короче говоря, PLATO будет использовать междисциплинарные знания об экзопланетах на совершенно новом уровне. Он будет сочетать в себе высокоточную фотометрию, современные инструменты анализа данных, специальную программу по изучению звездной изменчивости и собственную наземную кампанию по наблюдению.
"Эксперты из всех этих областей будут работать вместе, чтобы попытаться сделать возможным обнаружение этих крошечных планетарных сигналов. Кроме того, PLATO также будет использовать специальную стратегию наблюдения, которая позволит ему наблюдать тысячи звезд одновременно и получать почти непрерывные фотометрические данные за 2 года для каждой из них".
Чтобы оценить, что мог бы увидеть PLATO, наблюдая за тысячами солнцеподобных звезд-аналогов Земли, команда смоделировала влияние кратковременной солнечной изменчивости, используя Солнце в качестве посредника. Для этого использовались данные, полученные с помощью гелиосейсмического и магнитного томографа (HMI) на борту обсерватории солнечной динамики НАСА, которая непрерывно наблюдает за Солнцем с 2010 года. Используя 88 последовательных дней наблюдений HMI, они ввели в данные модели транзитных сигналов и шума, подобных земным, и смоделировали наблюдения PLATO для пяти сценариев и пяти звездных величин.
Их результаты показали, что транзитные сигналы могут быть надежно обнаружены при высоком соотношении сигнал/шум для ярких объектов, но все же с большой вероятностью для слабых объектов. Кроме того, они обнаружили, что миссия PLATO имеет хорошие шансы на точное измерение размеров планет, похожих на Землю, что является одной из ее главных целей. Как объяснил Кренн, эти результаты могли бы помочь миссии PLATO в поиске сигналов, аналогичных земным, среди всего этого шума, хотя предстоит проделать большую работу, чтобы обеспечить учет всех источников шума.:
"В нашем анализе мы сосредоточились только на эффектах кратковременной изменчивости, которая, как мы знаем, является лишь одним из многих источников шума, влияющих на наблюдения PLATO. Мы увидели, что даже правильный учет этого единственного типа шума может быть сложной задачей. Для окончательного анализа данных PLATO потребуется одновременное объединение множества сложных моделей шума, чтобы правильно учесть все различные источники шума. Я думаю, что наше исследование показало, что нам необходимо иметь глубокое представление об отдельных источниках шума, но в то же время необходимо научиться наилучшим образом комбинировать все отдельные модели".
Другие приборы нового поколения, такие как космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST), инфракрасный телескоп дистанционного зондирования атмосферы для исследования крупных экзопланет (ARIEL) и космический телескоп Нэнси Грейс Роман (Nancy Grace Roman), также позволят обнаруживать и характеризовать бесчисленные экзопланеты, используя метод прямой визуализации. Наряду с будущими наземными обсерваториями, эти миссии будут опираться на передовую оптику, коронографы и спектрометры, чтобы обнаружить больше земных аналогов и проанализировать их атмосферу и поверхность на наличие признаков жизни.
Достаточно скоро астрономы откажутся от таких терминов, как "потенциально обитаемая", и смогут с уверенностью сказать, что экзопланета "пригодна для жизни" (и, возможно, даже "обитаема"!).
