Насколько распространены экзопланеты земного типа, также называемые экзоземлями, и на какие экзопланетные системы нам следует нацеливаться, чтобы их найти? Это то, на что надеется ответить недавно представленное исследование, поскольку группа исследователей изучала потенциальные цели для запланированной Обсерватории обитаемых миров (HWO), которая была рекомендована во время Десятилетнего обзора по астрономии и астрофизике 2020 (Astro2020) и которую планируется запустить в 2040-х годах. В частности, HWO будет использовать метод прямой визуализации для идентификации экзоземель, и это исследование имеет потенциал для создания более научно рентабельного подхода к идентификации и изучению экзопланет.
Здесь, Вселенная сегодня обсуждает это невероятное исследование с доктором Стивеном Кейном, профессором планетарной астрофизики в Калифорнийском университете в Риверсайде и ведущим автором исследования, относительно мотивации исследования, значимых результатов, потенциальных системных кандидатов для идентификации экзоземель, значимости использования метода прямой визуализации и того, как это исследование может повлиять на десятилетний обзор 2030 года. Итак, какова была мотивация исследования?
«Обсерватория обитаемых миров (HWO) — это прямая миссия по получению изображений, которая была приоритетной в последнем десятилетнем обзоре Astrophysics», — рассказывает доктор Кейн. Вселенная сегодня. «Часть текущих усилий заключается в выборе наиболее подходящих звезд, которые станут целью наблюдений HWO. В настоящее время в списке целей HWO, с которыми работает сообщество, имеется список из 164 звезд. Поскольку известно, что некоторые из целей HWO уже имеют планеты, я провел динамический анализ этих систем, чтобы определить, может ли планета земного типа в обитаемой зоне (HZ) поддерживать стабильную орбиту».
Из этих 164 звезд в исследовании 30 имеют в общей сложности 70 известных планет: 11 систем с 1 планетой, 7 систем с 2 планетами, 6 систем с 3 планетами, 4 системы с 4 планетами, 1 система с 5 планетами и 1 система с 6 планетами. Система с 5 планетами — это HD 75732, более известная как 55 Cancri, и расположена примерно в 41 световом году от Земли. Пять планет имеют размер от 8 масс Земли (планета e) до примерно 3 масс Юпитера (планета d), при этом орбита планеты f по крайней мере частично пересекает HZ на протяжении ее приблизительной 260-дневной орбиты. Система с 6 планетами — это 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 орбита планеты g, согласно исследованиям 2015 и 2021 годов, частично пересекает HZ во время своего движения по орбите.
Для исследования ученые использовали ряд компьютерных моделей для расчета вероятного размера обитаемой зоны каждой звезды, называемой динамически жизнеспособной обитаемой зоной (DVHZ). Затем команда вставила планету земного типа в обитаемую зону, чтобы выяснить, сможет ли она поддерживать стабильную орбиту в течение 10 000 000 лет компьютерной модели на основе текущего планетарного населения в каждой системе, также известной как архитектура системы. Итак, каковы были наиболее значимые результаты исследования и какие последующие исследования находятся в разработке?
«Мы исследовали 30 звезд из списка целей HWO и обнаружили, что у 11 из них HZ сильно подвержена влиянию присутствия гигантской планеты в системе», — рассказывает доктор Кейн. Вселенная сегодня. «Это показывает, что необходим гораздо более тщательный анализ оставшихся целевых звезд HWO, чтобы определить, могут ли они иметь схожие динамические проблемы. Мы уже планируем детальное исследование лучевой скорости этих звезд для поиска дополнительных планет».
Доктор Кейн рассказал о том, какие экзопланетные системы являются наиболее перспективными кандидатами для идентификации экзоземель. Вселенная сегодня«На самом деле, в нашем исследовании мы определяем НАИМЕНЕЕ перспективные цели, исключая наличие планет земной массы в HZ этих систем. Среди этих систем есть яркая звезда pi Mensae, которая принимает гигантскую планету, чья орбита регулярно заставляет ее пролетать через HZ, гарантируя, что там не может существовать никаких пригодных для жизни планет».
Идентификация и изучение экзопланет проводится с помощью различных методов обнаружения, включая транзит, лучевую скорость, гравитационное микролинзирование, синхронизацию и прямую съемку. Для транзитного метода астрономы собирают данные о провале в звездном свете, который происходит, когда экзопланета проходит перед ней. Для метода лучевой скорости астрономы обнаруживают крошечные колебания, которые звезда демонстрирует, когда она тянет за собой экзопланету, вращающуюся вокруг нее. Для метода гравитационного микролинзирования астрономы используют гравитационное поле звезды в качестве линзы, когда она почти точно выровнена с далекой звездой, увеличивая далекую звезду в гравитационном поле передней звезды. Когда это происходит, гравитационное поле текущей экзопланеты в передней звезде влияет на гравитационное поле передней звезды.
Для метода определения времени, также называемого методом транзитно-временных вариаций, астрономы использовали данные экзопланеты, обнаруженной с помощью транзитного метода, чтобы попытаться найти другие планеты в системе, обнаружив изменения в сроках первой планеты, вызванные другой планетой. Для метода прямой визуализации астрономы использовали коронограф, чтобы заблокировать яркость звезды, обнаруживая экзопланеты, которые в противном случае были бы потеряны в ярком сиянии звезды.
Из 5743 экзопланет, подтвержденных NASA, 74,5 процента получены с помощью транзитного метода, 19 процентов — с помощью метода лучевой скорости, 3,9 процента — с помощью микролинзирования, 1,4 процента — с помощью метода прямой визуализации, 0,52 процента — с помощью метода вариации времени транзита, а остальные — с помощью других методов, включая вариации времени затмения, модуляцию орбитальной яркости, синхронизацию пульсаров, астрометрию, вариации времени пульсации и кинематику диска. С запланированной обсерваторией Habitable Worlds астрономы планируют использовать метод прямой визуализации, несмотря на то, что он достигает одного из самых низких показателей обнаруженных экзопланет. Поэтому, почему метод прямой визуализации был выбран для миссии HWO, и является ли прямая визуализация наиболее жизнеспособным методом для идентификации экзоземель? Если нет, то какой(ие) метод(ы) будет работать лучше всего?
«В настоящее время мы в основном используем косвенные методы для обнаружения и описания экзопланет», — говорит доктор Кейн. Вселенная сегодня. «Хотя эти методы могут быть использованы для выведения планетарных свойств, таких как масса, радиус и некоторый состав атмосферы, этого можно достичь только для очень ограниченного числа планет. Прямая съемка дает гораздо больше дополнительной информации, такой как подробный состав атмосферы, и может даже использоваться для выведения топографии поверхности и скорости вращения».
Как уже отмечалось, HWO был рекомендован в ходе Десятилетнего обзора по астрономии и астрофизике 2020 года (Astro2020), последний из которых спонсируется Национальным исследовательским советом Национальной академии наук и представляет собой отчет, который проводится примерно каждые 10 лет для определения текущего состояния области астрономии и астрофизики и направления исследований на следующие 10 лет. Наряду с проведением дальнейших исследований черных дыр, нейтронных звезд и эволюции галактик, Astro2020 также подчеркивал поиск пригодных для жизни экзопланет и внеземной жизни, а HWO родился из предыдущих предложенных миссий, известных как Обсерватория обитаемых экзопланет (HabEx) и Большой ультрафиолетовый оптический инфракрасный обзор (LUVOIR). Таким образом, поскольку HWO рекомендован десятилетним обзором 2020 года, как результаты этого исследования могут повлиять на обсуждение HWO в десятилетнем обзоре 2030 года?
«Наши результаты уточняют список целей HWO и тем самым усиливают научный результат миссии», — говорит доктор Кейн. Вселенная сегодня. «Устранение близких ярких целей может означать, что HWO придется переключиться на более слабые, далекие цели, которые, в свою очередь, могут потребовать более крупного телескопа для достижения тех же целей. HWO — захватывающая миссия, которая предоставит невероятные сведения о распространенности обитаемых планет. По мере того, как мы узнаем больше о ближайших планетных системах, мы значительно увеличим шансы на успех HWO».
Как HWO поможет обнаружить экзопланеты, подобные Земле, в ближайшие годы и десятилетия? Только время покажет, и вот почему мы — наука!
Как всегда, продолжайте заниматься наукой и смотреть вверх!
