Несмотря на то, что мы открыли их тысячи, найти экзопланеты сложно. И некоторые типы труднее найти, чем другие. Естественно, некоторые из тех, которые труднее всего найти, — это те, которые мы больше всего хотим найти. Что мы можем сделать?
Продолжайте работать над этим, и именно этим занимается трио китайских ученых.
У ученых есть четыре метода обнаружения экзопланет. Транзитный метод является наиболее плодотворным, но есть также метод лучевых скоростей, астрометрия и, конечно же, прямая визуализация. Каждый из них работает по-разному, имеет разные сильные и слабые стороны и лучше находит одни планеты вокруг разных типов звезд, чем другие.
Нас больше всего интересует поиск планет земной группы в обитаемых зонах близлежащих звезд. Какой из четырех методов даст наилучшие результаты при продолжении поиска?
Трое китайских учёных намеревались это определить. В их статье «Потенциал обнаружения близлежащих планет земной группы в ГП различными методами» подведены итоги их результатов. Оно появилось в публикациях Тихоокеанского астрономического общества. Ведущий автор — Хао Цяо-Ян из Школы астрономии и космических наук Нанкинского университета, Китай.
«Планеты земной группы в обитаемой зоне вокруг близлежащих звезд представляют большой интерес и служат хорошим образцом для дальнейших характеристик их обитаемости», — пишут авторы. Чем больше из них мы сможем найти, тем лучше мы сможем их понять, а затем мы сможем использовать это понимание, чтобы найти еще больше из них. Но это исследование не включало в себя настоящую охоту за планетами.
Исследователи погрузились в Каталог близлежащих звезд Гайи, чтобы получить выборку из 2234 звезд главной последовательности в пределах 20 парсеков, или примерно 65 световых лет. Из выборки были исключены коричневые и белые карлики. Затем они определили расширенные обитаемые зоны (HZ) для всех этих звезд. Наконец, они провели моделирование, введя в каждую ГЗ планеты земного типа.
Это подготовило почву для финальной части. Они определили, какие сигналы будет посылать каждая из этих 2234 планет, которые будут получены каждым из четырех методов обнаружения экзопланет: амплитуда скорости для лучевой скорости, вероятность и глубина транзита для метода транзита, звездные смещения для астрометрии, а также контрастность и угловое разделение для визуализация. Затем они «… предсказывают максимально возможное количество обнаружений планет земного типа с помощью различных методов в наилучшем гипотетическом сценарии».
Почему внимание сосредоточено на близлежащих звездах? Что ж, независимо от того, какой метод используют охотники за планетами, экзопланеты легче найти, чем ближе они находятся, а также их легче подтвердить. Их также легче изучать с помощью последующих наблюдений с помощью таких телескопов, как JWST, которые могут характеризовать атмосферу экзопланет и обнаруживать потенциальные биосигнатуры.
Определить обитаемые зоны вокруг всех этих звезд было непросто. На самом деле это невозможно. «ГЦ редко определяется именно потому, что она зависит не только от звездного спектра и звездной активности, но и от атмосферы планеты», — пишут авторы. Для упрощения они использовали расширенные обитаемые зоны, что увеличивает частоту появления планет в ХЗ. Внутренняя граница (IHZ) установлена на «Современную Венеру», а внешняя граница (OHZ) — на «Ранний Марс».
«Поскольку мы принимаем расширенную ГЦ, мы предполагаем, что частота появления планет земного типа в ГЦ равна 1, и помещаем по одной планете земного типа в ГЦ вокруг каждой отдельной звезды», — объясняют авторы. Это не означает, что они ожидают, что таких желанных экзопланет будет так много. Это просто дает им более полную выборку для работы, и это дает лучшие результаты.
«Среднее расположение IHZ и OHZ составляет 0,22 и 0,43 а.е. соответственно», — говорится в документе. Это может показаться очень близким, но большинство звезд — это холодные карлики M, а их ГЦ ближе, чем у нашего Солнца, которое является гораздо более яркой звездой главной последовательности.
Суть исследования касается сигналов, которые мы получим со всех этих планет с помощью четырех методов обнаружения.
Транзитный метод был нашим самым эффективным методом обнаружения экзопланет, и вероятность обнаружения сигнала отражает это. Однако метод транзита работает только в том случае, если геометрия правильная. Транзитная планета должна пройти между своей звездой и нами. Другие методы не имеют таких ограничений, хотя метод RV не полностью застрахован от геометрии.
Из всех планет, обнаруженных в ходе моделирования, метод транзита впервые обнаружил 24 из них. Однако, поскольку транзитный метод отлично подходит для поиска планет, близких к своим звездам, все 24 из них находились слишком близко к своим звездам, а не внутри HZ.
Результаты исследования показывают, что метод лучевых скоростей наиболее эффективен. Наш самый чувствительный инструмент для наблюдения за спутниками — это ESPRESSO ESO, или Echelle SPectrograph для скалистых экзопланет и стабильных спектроскопических наблюдений. Поскольку это наш лучший инструмент, исследователи использовали его чувствительность в своих симуляциях. Насколько легко ESPRESSO сможет обнаружить планеты в образце?
Из 252 планет, обнаруженных в радиусе 20 парсеков, метод RV с использованием ESPRESSO отвечает за 221 из них. Четыре из них похожи на Землю.
Метод астрометрии — один из наиболее чувствительных способов обнаружения экзопланет. Он основан на обнаружении мельчайших колебаний звезд-хозяев, создаваемых вращающимися вокруг них планетами. Именно так работает миссия ЕКА «Гайя», и в ближайшем будущем еще несколько обсерваторий будут использовать этот метод астрометрии. Моделирование показывает, что астрометрия предпочитает находить планеты в HZ вокруг массивных звезд, но современная астрометрия недостаточно чувствительна, чтобы обнаружить около 98% планет в пределах 20 парсеков.
Существует критическое различие между методом астрометрии Гайи и астрометрией, используемой для поиска экзопланет. Gaia измеряет звезды, используя абсолютную астрометрию, но для поиска экзопланет использует относительную астрометрию. Астрометрия измеряет смещение, которое измеряется в микросекундах дуги. «Мы обнаружили, что более 98% максимальных звездных смещений звезд в пределах 20 пк составляют менее 1 °с», — пишут авторы. Это означает, что нам нужна большая точность, чтобы обнаружить больше экзопланет.
На рисунке ниже показано, как более точная астрометрия обнаруживает больше планет.
Наименее точная серая линия обнаруживает пять обитаемых планет, синяя линия более точна, и ожидаемое число увеличивается до 30, включая семь планет вокруг звезд G и 10 планет вокруг звезд M. Красная линия представляет наиболее точную астрометрию, а ожидаемое число составляет 511, включая 116 и 174 планеты вокруг звезд G и M соответственно.
Метод астрометрии имеет наибольший потенциал для обнаружения планет земного типа в ГЦ вокруг звезд типа Солнца, но только с большей точностью.
Наконец, исследователи смоделировали результаты прямой визуализации — метода, который находился только в зачаточном состоянии. Лучше всего он работает на молодых планетах, все еще излучающих инфракрасное излучение и находящихся далеко от своих звезд. Существуют подтипы прямых изображений, и вместе они обнаружили около 30 планет.
Ученые-охотники за планетами с помощью прямых изображений обнаружили шесть экзопланет в радиусе 20 парсеков. Возможно, это звучит не очень хорошо, но этот метод имеет некоторые преимущества перед RV и транзитным методом. Он не чувствителен к наклону экзопланеты. Но по сравнению с другими методами прямая визуализация более сложна, поскольку необходимо учитывать как контрастность, так и угловое разрешение. Для прямой визуализации можно использовать как оптический, так и инфракрасный свет.
Результаты показывают, что прямая визуализация превосходно обнаруживает планеты вокруг звезд G-типа или звезд типа Солнца.
«В оптическом диапазоне прогнозируемое количество экзопланет — 159, из них 92 — вокруг G-звезд», — пишут авторы. Прямые инфракрасные изображения еще более продуктивны: обнаружена 191 экзопланета, 106 из которых вращаются вокруг звезд G-типа.
| Метод | Эталонный прибор | Ожидаемые планеты HZ (известные, ожидаемые, вокруг звезд G) |
| Радиальная скорость | ЭСПРЕССО | 4, 39,1 |
| Транзит | Тэсс | 4, 5, 0 |
| DI оптический | ЛЮВУАР | 0, 159, 92 |
| ДИ Инфракрасный | ЖИЗНЬ | 0, 191, 96 |
| Астрометрия | 3xГайя | 0, 30, 8 |
Когда дело доходит до поиска экзопланет в ГЦ вокруг близлежащих звезд, каждый метод имеет свои сильные и слабые стороны и лучше подходит для поиска планет вокруг разных типов звезд.
Данная статья представляет собой предварительную попытку сравнить потенциал различных методов обнаружения. По необходимости он основан на некоторых идеальных предположениях и частично на улучшенной чувствительности будущих инструментов. Его цель — помочь разработать основу для «… выбора целей и определения требований к точности четырех различных методов».
Охота за экзопланетами не показывает никаких признаков замедления. Почему бы это? Поиск планет земного типа в обитаемых зонах — одно из наших наиболее значимых научных занятий.
Моделирование основано на планетах земной группы, существующих в ГЦ каждой звезды главной последовательности в пределах 20 парсеков. Поэтому конкретные цифры в результатах, скорее всего, не точны. Но дело не в этом.
Будущие инструменты по необходимости будут более чувствительными, включая LUVOIR и HabEx. Итак, это исследование показывает, что может быть возможно, и закладывает основу для того, как мы можем использовать будущие инструменты с наибольшим успехом.
