В настоящее время подтверждено существование 5788 экзопланет в 4326 звездных системах, а еще тысячи кандидатов ожидают подтверждения. До сих пор подавляющее большинство этих планет были газовыми гигантами (3826) или суперземлями (1735), и только 210 были «землеподобными», то есть каменистыми планетами, подобными Земле по размеру и массе. Более того, большинство этих планет были обнаружены на орбитах внутри звездных систем М-типа (красных карликов), и лишь немногие из них были обнаружены на орбитах звезд, подобных Солнцу. Тем не менее, до сих пор не обнаружено никаких планет земного типа, вращающихся в пределах обитаемой зоны (HZ) звезды, подобной Солнцу.
Во многом это связано с ограничениями существующих обсерваторий, которые не смогли обнаружить планеты размером с Землю с более длинными орбитальными периодами (от 200 до 500 дней). Именно здесь в игру вступают инструменты следующего поколения, такие как миссия ЕКА «Планетарные транзиты и колебания звезд» (PLATO). Эта миссия, старт которой запланирован на 2026 год, проведет четыре года, исследуя до одного миллиона звезд на предмет признаков планетарных транзитов, вызванных скалистыми экзопланетами. В недавнем исследовании международная группа ученых рассмотрела то, что, скорее всего, увидит ПЛАТОНА, основываясь на том, что она увидела бы, наблюдая за самой Солнечной системой.
Исследование возглавил Андреас Ф. Кренн, аспирант Института космических исследований Австрийской академии наук. К нему присоединились исследователи из Астрономической обсерватории Женевского университета, Университета Экс-Марсель, Колумбийской астрофизической лаборатории, Потсдамского института астрофизики Лейбница (AIP), Института астрономии Левенского университета, Национального центра атмосферных исследований, и Обсерватория исследований Солнца и окружающей среды Канзельхёэ при Университете Граца. Статья, описывающая их исследование, недавно появилась в журнале. Астрономия и астрофизика.
Как они отмечают в своем исследовании, планета земного типа, вращающаяся в пределах ГЦ звезды G-типа, могла бы стать основной целью для поиска биосигнатур. К ним относятся газообразный кислород, углекислый газ, метан, аммиак и водяной пар в атмосфере, а также признаки фотосинтеза, происходящего на поверхности – то есть, красная граница растительности (VRE). Это было очень сложно для телескопов, поскольку планеты земного типа с большей вероятностью вращаются по орбите ближе к звездам, подобным Солнцу, что затрудняет получение данных об их атмосферах с использованием прямого изображения или спектров передачи.
Последний метод включает в себя транзитную фотометрию (или метод транзита), при которой астрономы измеряют кривую блеска далеких звезд на предмет периодических спадов яркости. Они часто являются результатом прохождения экзопланет перед звездой (т. е. транзита) относительно наблюдателя. На сегодняшний день подавляющее большинство экзопланет – более 4300, или 74,5% – подтверждено с помощью этого метода. При подходящих условиях астрономы иногда наблюдают свет, проходящий через атмосферу экзопланеты, который затем изучают с помощью спектрометров для определения его химического состава.
Но, как сообщил Кренн Universe Today по электронной почте, это стало серьезной проблемой для астрономов:
«Основная трудность — это слабые сигналы, которые генерируют такие планеты. Например, амплитуда лучевой скорости Земли составляет примерно 0,1 м/с. Это примерно скорость гигантской галапагосской черепахи. Это означает, что если удаленный наблюдатель захочет увидеть движение Солнца вокруг общего центра масс системы Земля-Солнце, ему нужно будет увидеть, как Солнце движется со скоростью гигантской галапагосской черепахи на расстоянии световых лет.
«Аналогично, относительное количество излучений Солнца, которое блокируется Землей, когда удаленный наблюдатель наблюдает, как Земля проходит через солнечный диск, составляет 84 части на миллион, что составляет 0,0084%. Таким образом, удаленному наблюдателю нужно будет увидеть, как свет этой звезды затемняется на 0,0084%, чтобы обнаружить Землю».
Более того, Кренн добавил, что существующие спектрографы недостаточно точны для измерения таких слабых сигналов. В то время как миссии по поиску экзопланет, такие как спутник ЕКА ExOPlanets Satellite (CHEOPS), сумели получить спектры транзитных экзопланет, для достижения такой точности потребовалось несколько транзитных событий. Это непросто, когда имеешь дело с такими планетами, как Земля, с более длинными орбитальными периодами, которые укладываются в диапазон от 200 до 500 дней. Наконец, инструментальные эффекты и звездная изменчивость могут быть на порядки больше, чем планетарный сигнал.
Ожидается, что ситуация существенно изменится с появлением космического телескопа ЕКА следующего поколения «Планетарные транзиты и колебания звезд» (PLATO). Эта миссия будет опираться на подход с использованием нескольких телескопов с использованием 26 камер, в том числе 24 «обычных» камер, организованных в 4 группы, и 2 «быстрых» камер для ярких звезд. Эти инструменты будут непрерывно наблюдать одну и ту же область неба в течение как минимум двух лет, чтобы обнаружить сигналы транзита планет земного типа вокруг солнечных аналогов. Сказал Кренн:
«Фотометрический прибор PLATO будет достаточно точным, чтобы обнаружить транзит земной планеты, вращающейся вокруг солнечной звезды, используя одно транзитное событие. Надеемся, что благодаря программе звездной изменчивости и последующей наземной кампании мы сможем правильно учесть влияние источников шума. Короче говоря, PLATO будет использовать междисциплинарную науку об экзопланетах на совершенно новом уровне. Он будет сочетать в себе высокоточную фотометрию, современные инструменты анализа данных, специальную программу звездной изменчивости и собственную наземную последующую кампанию.
«Эксперты из всех этих областей будут работать вместе, чтобы попытаться сделать возможным обнаружение этих крошечных планетарных сигналов. Кроме того, PLATO также будет использовать специальную стратегию наблюдений, которая позволит ей наблюдать тысячи звезд одновременно и получать 2-летние почти непрерывные фотометрические данные для каждой из них».
Чтобы оценить, что PLATO может увидеть при наблюдении тысяч звезд, подобных Солнцу, в поисках аналогов Земли, команда смоделировала влияние краткосрочной солнечной изменчивости, используя Солнце в качестве прокси. Это заключалось в использовании данных, полученных с помощью гелиосейсмического и магнитного формирователя изображения (HMI) на борту обсерватории солнечной динамики НАСА, которая непрерывно наблюдает за Солнцем с 2010 года. Используя 88 дней последовательных наблюдений HMI, они ввели в систему транзитные сигналы земного типа и модели шума. данные и смоделированные наблюдения PLATO для пяти сценариев и пяти звездных величин.
Их результаты показали, что транзитные сигналы могут быть надежно обнаружены с высоким соотношением сигнал/шум для ярких целей, но с большой вероятностью и для слабых. Они также обнаружили, что миссия PLATO имеет хорошие шансы точно и точно измерить размер планет земного типа, что является одной из ее главных целей. Как объяснил Кренн, эти результаты могут помочь миссии PLATO и найти сигналы земных аналогов среди всего шума, хотя необходимо проделать большую работу, чтобы обеспечить учет всех источников шума:
«В нашем анализе мы сосредоточились только на эффектах краткосрочной изменчивости, которая, как мы знаем, является лишь одним из многих источников шума, которые повлияют на наблюдения PLATO. Мы увидели, что даже правильный учет этого единственного типа шума может оказаться сложной задачей. Для окончательного анализа данных PLATO необходимо будет одновременно объединить множество сложных моделей шума, чтобы правильно учесть все различные источники шума. Я думаю, что наше исследование показало, что нам необходимо иметь глубокое понимание отдельных источников шума, но в то же время нам также необходимо научиться наилучшим образом комбинировать все отдельные модели».
Другие инструменты нового поколения, такие как Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST), Инфракрасное исследование экзопланеты с дистанционным зондированием атмосферы. (ARIEL) телескоп и Римский космический телескоп Нэнси Грейс также позволит обнаружить и охарактеризовать бесчисленное количество экзопланет с помощью метода прямой визуализации. Наряду с будущими наземными обсерваториями, эти миссии будут опираться на передовую оптику, коронографы и спектрометры, чтобы найти больше аналогов Земли и проанализировать их атмосферу и поверхность на наличие доказательств жизни. Достаточно скоро астрономы откажутся от таких терминов, как «потенциально обитаемая» и смогут с уверенностью сказать, что экзопланета «обитаемая» (и, возможно, даже «обитаемая»!)
Дальнейшее чтение: Астрономия и астрофизика
