Планетные затмения во время и после «Кеплера» Дмитрий Вибе

Планетные затмения во время и после «Кеплера»

Дмитрий Вибе

Опубликовано 27 мая 2013

Не успели ещё высохнуть слёзы после исчерпания запасов охладителя на «Гершеле», как в мае 2013 года мировую астрономию постиг новый удар: вышла из строя критическая деталь космического телескопа «Кеплер» — гироскоп, обеспечивавший ориентацию аппарата. Без точной ориентации невозможно выполнение основной научной задачи «Кеплера» — мониторинга изменений блеска полутора сотен тысяч звёзд на фиксированной площадке в созвездиях Лебедя, Лиры и Дракона.

Подобный мониторинг позволяет решать несколько научных задач, но для «Кеплера» основным результатом до сих пор были внесолнечные планеты, обнаруживаемые методом транзитов, или методом затмений. Суть этого метода крайне проста: при удачном расположении звезды, планеты и наблюдателя этот последний будет время от времени видеть, как планета проходит по диску звезды, частично затмевая его. В земных условиях экстремальным случаем транзита является солнечное затмение, во время которого падение яркости Солнца можно заметить невооружённым глазом. Солнечный диск оказывается частично закрытым и при прохождении по нему Венеры или Меркурия. Полный блеск Солнца при этом также, естественно, ослабевает, но отметить это без применения спецоборудования уже невозможно.

О том, что по «микрозатмениям» можно вылавливать невидимые планеты у других звёзд, ещё в 1952 году писал Отто Струве, но реально первый экзопланетный транзит удалось пронаблюдать только в 2000 году. Причина состоит в том, что падение яркости звезды ничтожно, даже если её заслоняет планета-гигант, не говоря уже о планетах земного типа. Например, если по солнечному диску пройдёт Юпитер, блеск Солнца упадёт всего на 1 процент. Венера же во время транзитов ослабляет яркость Солнца на 0,0076 процента, или на 76 ppm, как принято говорить в затменном сообществе. Примерно такое падение яркости нужно уметь фиксировать, если есть желание найти вторую Землю у солнцеподобной звезды. Поэтому задача поиска планет земного типа методом затмений предъявляет высокие требования к точности фотометрии, то есть к измерению вариаций звёздной яркости.

Ещё одна сложность заключена в том, что увидеть затмение можно лишь при условии «правильной» ориентации планетной орбиты. Чтобы планета проецировалась на звёздный диск, плоскость орбиты должна лежать достаточно близко к лучу зрения. Вероятность увидеть именно такую конфигурацию (при условии, что орбиты планет в экзопланетных системах ориентированы случайным образом) тем меньше, чем дальше планета от звезды; для Земли она составляет меньше полпроцента. То есть, чтобы один раз увидеть затмение звезды типа Солнца планетой типа Земли, нужно пронаблюдать не менее двухсот систем, в которых такие планеты имеются.

Иными словами, чтобы найти «вторую Землю», нужны: 1) телескоп, обеспечивающий точность фотометрии порядка 0,002 процента (20 ppm), 2) программа наблюдений, охватывающая как можно больше звёзд (чтобы победить низкую вероятность обнаружения транзита), 3) возможность непрерывного мониторинга этих звёзд на протяжении как минимум нескольких лет. Непрерывность очень важна: для далёкого наблюдателя, находящегося в плоскости эклиптики, Земля затмевает Солнце раз в год на 13 часов. Отвлечёшься в неудачный момент на несколько часов — пропустишь транзит.

Именно на основе этих принципов и создавался телескоп «Кеплер». Космическое размещение позволило избавиться от атмосферных помех, препятствующих качественному измерению блеска. Площадка с центром в созвездии Лебедя была выбрана так, чтобы «Кеплер» смотрел в зону умеренно высокой звёздной плотности, вдоль так называемого «рукава Ориона». Площадка очень большая, 16° в поперечнике — 32 Луны! Входной каталог «Кеплера» включает более 10 млн звёзд на этой площадке, но в основную программу наблюдений вошло только чуть более полутора сотен тысяч из них — подходящей яркости и спектрального класса (в отдельные сеансы наблюдалось до 190 тыс. звёзд). План работы, первоначально рассчитанный на 3,5 года, позволял условно надеяться на фиксацию трёх транзитов «второй Земли»…

…Но пока не получилось. За четыре года работы «Кеплера» в его данных так и не увидели двойника Земли. Впрочем, вряд ли тут можно капризничать. На точное совпадение вряд ли стоило рассчитывать. Близкие же варианты в базе данных «Кеплера» имеются. Например, совсем недавно появилось сообщение о пятипланетной системе Kepler-62, в которой две планеты с массами примерно в полтора раза больше земной попали в зону обитаемости, то есть в диапазон расстояний, допускающий существование жидкой воды. В другой системе вообще найден мини-Меркурий. И такие сообщения ещё будут появляться независимо от того, продолжит «Кеплер» свою работу или нет, поскольку обнаружение затмения в проекте представляет собой многоэтапный процесс.

Сначала автоматическая процедура по набору критериев выделяет из фотометрических рядов подозрительные «события с превышением порога» (Threshold Crossing Event, TCE). Затем более жёсткая процедура, включающая «ручной» просмотр, используется для выбора «интересных объектов» (Kepler Object of Interest, KOI), очень похожих на затменные планетные системы. Наконец, к KOI применяется тот или иной способ независимой проверки. Вопреки распространённому мнению, это не всегда спектроскопическая проверка по методу лучевых скоростей — многие звёзды «Кеплера» слишком тусклы для этого. После независимой проверки планета получает статус подтверждённой и обозначение «Kepler — номер буква», например, Kepler-62e. В списке TCE сейчас более 18 тыс. событий, в списке KOI — более 3500 объектов. Подтверждённых же планет — чуть больше сотни. Так что покопаться ещё есть где (практика показала, что независимую проверку проходят примерно 90% KOI, хотя для отдельных классов планет ситуация может быть хуже).

Успех «Кеплера» готовятся подхватить другие научные группы. В апреле в США одобрен проект TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite). Этот спутник будет оснащён четырьмя телескопами, предназначенными для обзора всего неба, а не единственной площадки, как на «Кеплере». В программу наблюдений будут включены звёзды, достаточно яркие для наземной спектроскопии, что позволит во всех случаях подтвердить реальность планеты или планет при помощи метода лучевых скоростей. Команда проекта рассчитывает найти более 2500 планет, в том числе несколько сотен планет земного типа.

Схожую стратегию — наблюдения относительно ярких звёзд по всему небу — планируют использовать и авторы европейского проекта PLATO. Правда, этот проект находится в подвешенном состоянии: в текущую программу запусков миссий среднего класса Европейского космического агентства он не включён, но и отказаться от него агентство пока не хочет. В проекте предполагается вести наблюдения транзитов при помощи нескольких десятков небольших телескопов, установленных на общей платформе.

Параллельно активно развиваются и наземные наблюдения транзитов. Причём задача, которая ещё пару десятилетий назад считалась крайне сложной, сейчас оказывается по силам небольшим инструментам. В мире работает несколько проектов по поиску внесолнечных планет (WASP, HAT, TrES и другие) с использованием 10-20-сантиметровых телескопов. Наблюдения известных транзитных экзопланет успешно ведутся на инструментах Пулковской обсерватории. Два новых кандидата в «горячие юпитеры» были открыты в Коуровской обсерватории Уральского федерального университета (первые отечественные кандидаты, между прочим). Но, увы, ждать от наземных наблюдений обнаружения «земель» пока не приходится — мешает атмосфера. Есть, правда, проекты Mearth и APACHE, направленные на поиск планет земного типа у М-карликов, но в первом проекте открыта пока всего одна «сверх-Земля», второй не проработал ещё и года.

Поэтому единственным источником информации об экзопланетах земного типа на какое-то время останется только «Кеплер», лишившийся возможности точно ориентироваться на наблюдаемую площадку. Теоретически, удерживать телескоп в нужном положении можно двигателями, но при этом запасов топлива хватит всего на несколько месяцев. Сейчас «Кеплер» находится в состоянии Point Rest: давление излучения Солнца медленно разворачивает его в одну сторону, периодически включаемые двигатели — в другую. Такая примерная ориентация аппарата позволяет поддерживать с ним связь при минимальном расходе топлива и в относительно спокойной обстановке искать решение проблемы. Не забывайте, что такие чудеса случаются. Обсерваторию SOHO, например, удалось вытащить из куда более безнадёжной ситуации.

К оглавлению