Космический телескоп "Кеплер" снова говорит с нами, предлагая заглянуть в другие миры
Первая экзопланета была открыта в 1992 году астрономами Александром Вольщаном и Дейлом Фрейлом. Эта планета, однако, была обнаружена в системе, глубоко отличающейся от нашей Солнечной системы. Она вращалась вокруг пульсара - быстро вращающейся нейтронной звезды. Первая внесолнечная планета, обнаруженная вокруг звезды, похожей на Солнце, была открыта несколькими годами позже, в 1995 году, Мишелем Майором и Дидье Келозом (Нобелевская премия 2019 года).
С момента открытия первой экзопланеты до настоящего времени было обнаружено более 5000 планет. Ключевой вклад в открытие этих экзопланет внес космический телескоп NASA "Кеплер", запущенный в марте 2009 года и работавший до 2018 года. Телескоп был посвящен Иоганну Кеплеру, который внес огромный вклад в понимание движения планет в Солнечной системе.
Основная цель космической миссии заключалась в изучении и описании внесолнечных систем в пределах Млечного Пути путем наблюдения за очень большой выборкой звезд. В частности, "Кеплер" был разработан для обнаружения экзопланет земного размера в обитаемой зоне своей звезды. То есть, на нужном расстоянии, чтобы на них могла существовать жидкая вода.
Недавно группа астрономов из Висконсинского университета и Массачусетского технологического института (MIT) с помощью астрономов-любителей в рамках проекта Visual Survey Group обнаружила, возможно, последние внесолнечные планеты, обнаруженные "Кеплером" до его закрытия.
Метод, используемый "Кеплером", - это метод транзитов
Для обнаружения внесолнечных планет "Кеплер" использовал метод транзитов. Он основан на том, что планета, проходя перед своей звездой, блокирует часть света, исходящего от самой звезды. Точно измерив яркость звезды, можно увидеть уменьшение ее яркости из-за транзита планеты.
Для этого астрономы измеряют кривую блеска - график, показывающий яркость звезды с течением времени. Когда планета еще не прошла транзитом, яркость звезды постоянна (от точки А до точки В на кривой блеска на рисунке ниже). Как только планета начнет проходить перед звездой, яркость начнет уменьшаться (от B до C). Когда вся планета окажется перед звездой, яркость останется постоянной в течение всего транзитного периода (C - D). Когда планета начнет покидать солнечный диск, яркость снова начнет увеличиваться, пока не достигнет предтранзитного уровня, когда планета полностью покинет звездный диск (D - E). В этот момент транзит заканчивается, и яркость остается постоянной до следующего транзита (после точки E), который произойдет, когда планета пройдет полную орбиту вокруг звезды.
Информация, которую можно получить при наблюдении транзита
Анализ кривой блеска может дать много действительно полезной информации о планете. Часть кривой блеска, где яркость уменьшается или увеличивается (между точками B и C для уменьшения и между D и E для увеличения), а также то, насколько уменьшилась яркость во время транзита, позволяют определить размер планеты. Временной интервал между двумя последовательными транзитами, с другой стороны, представляет собой время обращения планеты вокруг звезды (поскольку для второго транзита ей необходимо совершить полный оборот), и, применив третий закон Кеплера, можно получить радиус орбиты планеты.
Еще одна фундаментальная информация, которую можно получить, — это химический состав атмосферы планеты. Это можно сделать только в том случае, если телескоп может получить спектр источника во время транзита. На самом деле, когда планета проходит перед звездой, часть света от самой звезды пройдет через атмосферу планеты (если таковая имеется), прежде чем попадет в наш телескоп.
Когда свет проходит через газ, последний может поглощать фотоны определенных длин волн, создавая так называемые линии поглощения - темные области в непрерывном спектре источника. Изучая положение и форму этих линий, можно проследить, какой элемент их породил и каково его содержание, тем самым характеризуя атмосферу планеты.
Все больше и больше экзопланет
Для того чтобы обнаружить как можно больше планет, Кеплер всегда наблюдал одну и ту же область неба, прозванную полем Кеплера, площадью 115 квадратных градусов, вблизи созвездия Лебедя. В этой области Кеплер точно отслеживал около 150 000 звезд, чтобы обнаружить изменение их яркости из-за транзита планеты.
В январе 2010 года "Кеплер" обнаружил свою первую внесолнечную систему, состоящую из пяти горячих Юпитеров, названных Kepler-4b, 5b, 6b, 7b и 8b. Эти планеты размером с Юпитер, но вращаются вокруг своей звезды на меньшем расстоянии, чем Меркурий, с периодом обращения всего в несколько дней. Следовательно, они являются настоящими адами из-за их большой близости к звезде, температура на них может достигать 2000 Кельвинов.
Что касается более землеподобных планет, то в январе 2011 года "Кеплер" обнаружил свою первую каменистую планету, Kepler-10b. Однако даже в этом случае планета движется по орбите так близко к звезде, что обращенная к ней сторона настолько горячая, что на ней могут располагаться настоящие океаны расплавленной породы.
Только в апреле 2014 года была обнаружена первая планета размером с Землю, вращающаяся в обитаемой зоне собственной звезды, под названием Kepler-186f. Эта планета вращается вокруг звезды на расстоянии около 0,4 АЕ (1 АЕ - расстояние между Землей и Солнцем), и ее путь составляет около 130 дней. В ходе первого этапа миссии "Кеплер" обнаружил и подтвердил существование 2778 внесолнечных планет.
K2, вторая жизнь для "Кеплера"
В мае 2013 года у телескопа возникли серьезные механические проблемы: сломалось второе реактивное колесо. Эти механизмы имеют решающее значение для поддержания стабильной ориентации телескопа. И как только один из них ломается или получает серьезные повреждения, поддерживать конструкцию в равновесии становится невозможно. Следовательно, продолжать наблюдения становится невозможно.
Команда, следящая за телескопом, нашла решение для возобновления наблюдений, используя давление солнечных лучей для стабилизации ориентации телескопа. Однако этот манёвр заставил телескоп менять поле наблюдения каждые три месяца. Так началась вторая часть миссии "Кеплера", К2.
В ходе К2, помимо транзитного метода, "Кеплер" также использовал метод гравитационных микролинз. Он заключается в наблюдении звезды поля, то есть очень далекой звезды, которая проходит транзитом за другой, гораздо более близкой звездой, которая действует как "линза". Последняя увеличивает видимую яркость звезды, поскольку отклоняет ее излучение. Таким образом, до наблюдателя доходит гораздо больше фотонов, чем при отсутствии звезды-линзы.
В случае, когда на линзовой звезде находится одна или несколько планет, кривая блеска не будет симметричной, а будет иметь небольшие пики. Они указывают на присутствие планеты. По их форме можно определить массу планеты и информацию о ее орбите.
Только одна планета была обнаружена "Кеплером" с помощью этого метода, но это не должно нас удивлять. На самом деле, это один из самых сложных из используемых методов. Всего из более чем 5000 обнаруженных экзопланет с помощью микролинзирования было открыто около сотни. Однако во время миссии K2 было обнаружено 546 экзопланет.
Завершение миссии "Кеплер"...
10 октября 2018 года NASA объявило о прекращении работы телескопа "Кеплер", которая длилась уже девять лет, из-за того, что закончилось топливо. Телескоп был выключен с помощью команды "спокойной ночи", отправленной 15 ноября 2018 года, ровно в 388-ю годовщину смерти Джона Кеплера.
Перед окончательным отключением "Кеплер" предоставил неделю данных высокого качества, а затем еще одиннадцать дней наблюдений, качество которых, однако, значительно снизилось из-за истощения топлива и, как следствие, снижения точности во время наблюдений.
Эти данные были проанализированы Группой визуального наблюдения (VSG), возглавляемой Элизой Инча (Университет Висконсина) и состоящей из профессиональных астрономов (из Университета Висконсина, Университета Северной Каролины, NASA и Гарвардского центра астрофизики), а также гражданских ученых и астрономов-любителей.
VSG, проанализировав кривую блеска более 33 000 звезд, обнаружил один транзит у трех разных звезд. Для подтверждения наличия планеты вокруг этих звезд необходимо наблюдать второй транзит, чтобы исключить возможность ложного срабатывания.
С этой целью Элизе Инча и Эндрю Вандербург, доценты кафедры физики Института астрофизики и космических исследований имени Кавли при Массачусетском технологическом институте, проанализировали низкокачественные данные, полученные за последние одиннадцать дней от "Кеплера". В ходе этого исследования второй транзит был идентифицирован для двух из трех кандидатов:
- K2-416 b, масса которого примерно в 2,6 раза больше массы Земли.
- K2-417 b, масса которой примерно в 3 раза больше земной.
Для последней спутник Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) также обнаружил транзит, что подтверждает наличие планеты.
Ниже приведены кривые блеска. Графики в первом ряду представляют транзиты, обнаруженные с помощью высококачественных данных, справа для планеты K2-416 b и слева для K2-417 b. В нижнем ряду - кривые блеска, полученные на основе низкокачественных данных за последние 10 дней работы "Кеплера".
Что касается третьей планеты-кандидата, которая почти в четыре раза больше Земли, то второго транзита по данным "Кеплера" обнаружить не удалось. Ожидается подтверждение от других телескопов.
С этими последними обнаруженными планетами великая одиссея "Кеплера", длившаяся более девяти лет и приведшая к открытию более 2700 внесолнечных планет, подходит к концу.
Кеплер показал нам, что в галактике планет больше, чем звезд, и некоторые из них по размеру похожи на Землю. Все эти открытия позволили нам сделать шаг вперед в обнаружении потенциально пригодных для жизни планет. А также в вопросе происхождения самой Солнечной системы.