|
Поиски Земли 2.0 в двойных системах
|
|
|
|
За последние несколько десятилетий астрономы обнаружили тысячи экзопланет, но главная цель по-прежнему ускользает от них — им пока не удалось найти каменистую планету с массой Земли, которая вращалась бы в обитаемой зоне звезды, похожей на Солнце. Отчасти это связано с особенностями космического пространства: около половины всех похожих на Солнце звезд, расположенных рядом с нами, не одиноки. У них есть одна или несколько звезд-компаньонов, которые усложняют их орбитальную динамику, а также динамику орбит любых планет, которые могут вращаться вокруг них.
|
|
|
|
Но в новой статье, опубликованной в виде препринта на сайте arXiv, предлагается новая миссия NASA Small Explorer под названием «Поиск обитаемых экзопланет с помощью относительной астрометрии» (Searching for Habitable Exoplanets with Relative Astrometry, SHERA), цель которой — использовать эту сложную динамику для поиска планет размером с Землю в системах с несколькими звездами.
|
|
|
|
В настоящее время астрономы используют три основных метода поиска экзопланет, и хотя мы подробно рассказали о каждом из них на сайте UT, стоит напомнить, как SHERA вписывается в общую картину.
|
|
|
|
Такие миссии, как «Кеплер» и «Транзитный спутник для поиска экзопланет» (Transiting Exoplanet Survey Satellite, TESS), используют метод транзитной фотометрии: они отслеживают небольшие провалы в яркости звезды, когда перед ней проходит планета. Несмотря на то, что этот метод оказался чрезвычайно успешным, он требует немалой доли везения, поскольку для его максимальной эффективности орбита планеты должна совпадать с орбитой Земли.
|
|
|
|
|
|
|
Второй метод, применяемый во многих наземных спектрографах, известен как измерение лучевой скорости (radial velocity, RV). Он позволяет измерить «колебания» звезды, вызванные движением обращающейся вокруг нее планеты. Но планета размером с Землю, обращающаяся вокруг звезды, похожей на Солнце, на расстоянии в одну астрономическую единицу (а. е.), смещает звезду всего на 9 см/с, а предел чувствительности наших современных приборов составляет около 50 см/с из-за активности на поверхности звезды, поэтому этот метод не подходит для поиска аналога Земли.
|
|
|
|
Остается еще один вариант — астрометрия. Этот метод позволяет измерить точное положение звезд относительно фонового поля, состоящего, как вы уже догадались, из других звезд. Но и здесь астрономы столкнулись с проблемой чувствительности. Для планеты размером с Землю, обращающейся вокруг звезды, похожей на Солнце, на расстоянии 33 световых лет от нас, «колебания», вызванные движением планеты, будут заметны как смещение примерно на 0,3 микросекунды дуги (uas). Наша самая мощная астрометрическая миссия — GAIA — в настоящее время имеет точность около 100 мка, что на несколько порядков превышает то, что было бы необходимо для поиска планет такого типа.
|
|
|
|
ШЕРА использует страницу из книги GAIA, но с изюминкой. Вместо того, чтобы отображать звезду на слабом фоне других звезд, который может добавить базовый уровень "шума", который трудно преодолеть, SHERA фокусируется на ярких, но близко расположенных двойных парах звезд. Поскольку двойные звезды гравитационно связаны друг с другом, они действуют как совместно движущиеся точки отсчета на фоне других объектов. Точное измерение расстояния между ними устраняет любые ошибки, связанные со звездами на заднем плане, а также устраняет любые крупномасштабные оптические искажения, которые в противном случае могли бы исказить данные.
|
|
|
|
Но если у одной из солнцеподобных звезд в двойной системе (а, чтобы было понятно, они обе могут быть солнцеподобными) есть экзопланета, то эта планета будет вызывать периодический сдвиг в относительном удалении, что как раз и предназначено для обнаружения SHERA. Но для этого требуется какое-то очень хитроумное технологическое чудо, сродни производству полупроводников.
|
|
|
|
Чтобы достичь требуемого уровня точности в субмикросекундные секунды, SHERA использует устройство, называемое дифракционным зрачком. Он создается с помощью процесса электронно-лучевой литографии (аналогичного тому, который используется при изготовлении компьютерных чипов) для нанесения сложного фазового рисунка на зеркало 22-сантиметрового космического телескопа. Этот сложный рисунок служит трем основным целям.
|
|
|
|
Во-первых, он действует как оптическая линейка, измеряя, как со временем меняются оптические искажения звезд, а также их тепловое расширение. Он также распределяет звездный свет на несколько пикселей, но по известной схеме, что позволяет прибору усреднять микроскопические дефекты в самом детекторе. Наконец, он останавливает звездную активность от имитации сигнала, ожидаемого от планеты, наблюдая за спектром звезды и корректируя любые изменения в спектре и линиях поглощения, которые могут быть вызваны солнечным пятном, а не изменением относительного расстояния между двумя двойными звездами.
|
|
|
|
Команда SHERA составила список из семи ближайших двойных систем, расположенных в пределах 17 парсеков от Земли. При этом она попытается достичь трех основных научных целей. Во-первых, найти планеты с массой Земли вокруг ближайших звезд-мишеней. Во-вторых, необходимо проверить, подавляют ли сближенные двойные системы формирование планет на определенных расстояниях — мы уже знаем, что на некоторых расстояниях они это делают. В-третьих, предоставить дополнительный контекст наземным данным о лучевой скорости, объединив их астрометрические данные с измерениями RV с земли.
|
|
|
|
Согласно расчетам авторов, основанным на стандартных показателях обнаружения, в ходе миссии планируется обнаружить около четырех небольших планет в обитаемой зоне вокруг целевых звезд. Важно отметить, что даже если будет найдено меньше планет, это все равно будет важным достижением: по расчетам авторов, если в выборке будет обнаружено менее двух планет, это будет означать, что частота появления планет в обитаемой зоне вокруг двойных звезд значительно ниже, чем у одиночных звезд.
|
|
|
|
Но, пожалуй, самое важное в проекте SHERA — это то, что он поможет в реализации другой миссии — Обсерватории обитаемых миров (Habitable Worlds Observatory, HWO). Тринадцать из 14 звезд в списке целевых объектов SHERA относятся к первому уровню приоритетности для HWO.
|
|
|
|
Поскольку эта огромная и дорогостоящая обсерватория может потратить много времени на то, чтобы просто доказать существование планеты, SHERA, который является относительно недорогим спутником NASA Small Explorer (SMEX) и, по сути, представляет собой усовершенствованную версию кубсата TOLIMAN 16U, изначально предназначенного для изучения Альфы Центавра, может сократить время, необходимое HWO для изучения планет вокруг этих звезд (при условии, что они там есть), на 40 %, что является существенной экономией времени для очень дорогостоящей обсерватории.
|
|
|
|
Отметим, что в настоящее время нет планов по официальному включению SHERA в программу миссий. HWO планирует запустить проект в конце следующего десятилетия или, что более вероятно, в начале 2040-х годов, так что до того момента, когда этот сценарий перестанет быть актуальным, пройдет еще немало времени. Учитывая относительно невысокую стоимость проекта, есть вероятность, что его профинансируют частные инвесторы, но пока неясно, увидим ли мы когда-нибудь в небе этот специализированный аппарат для поиска планет.
|
|
|
|
Источник
|
