za_neptunie (za_neptunie) wrote,
za_neptunie
za_neptunie

Почему транзитные планеты - это лучшая цель для поиска внеземных цивилизаций?

Сравнения транзитов нашей Земли с транзитами потенциально обитаемой планеты Кеплер-186f

 Сравнение транзитов нашей Земли с транзитами потенциально обитаемой планеты Кеплер-186f. Источник.


 Прошлой мой пост вызвал обсуждение, поэтому я решил ещё раз упомянуть ключевые моменты логики поиска внеземных цивилизаций. Почему нас должны интересовать в первую очередь транзитные планеты у других звезд, то есть системы, где планеты затмевают свои звезды?


Логика простая. При поиске инопланетян мы должны искать подобные себе цивилизации, потому что о других мы ничего вообще не знаем. Наша цивилизация отправляет два вида радиосигналов: всенаправленные и узконаправленные. Всенаправленные радиосигналы от радаров, ТВ- и радио- передатчиков быстро рассеиваются в космическом пространстве – даже с ближайших звезд с помощью аналогов земных радиотелескопов их невозможно выделить из космического радиошума. В тоже время, наиболее мощные узконаправленные радиосигналы наоборот имеют достаточную мощность, чтобы быть обнаруженными даже с расстояния в сотни и тысячи световых лет с помощью аналогов существующих земных радиотелескопов. Поэтому узконаправленные радиосигналы можно обнаружить с гораздо большего расстояния.


Маловероятно надеяться на то, что инопланетяне будут специально излучать радиосигналы в сторону Земли, чтобы мы их случайно приняли. Гораздо более вероятно принять от ВЦ случайные узконаправленные сигналы. Дело в том, что земная цивилизация уже десятки лет отправляет мощные радиосигналы для целей исследования Солнечной Системы. В первую очередь, это радиолокация планет и астероидов Солнечной Системы. Во-вторых, это отправка команд к межпланетным зондам, которые преимущественно исследуют другие планеты. Все известные планеты Солнечной Системы обращаются под очень небольшими углами к друг другу. То есть фактически в одной плоскости.


Солнечная Система

Орбиты планет Солнечной Системы. Источник.


С огромным числом астероидов в нашей системе также наблюдается похожая ситуация. Наклонения их орбит также близки к эклиптике (плоскости земной орбиты):


Наклонение орбит известных астероидов

Распределение наклонения орбит известных астероидов. Источник.


Отсюда следует вывод, что большинство самых мощных радиосигналов от земной цивилизации уходит в космос к сравнительно узкой полосе неба в плоскости планет Солнечной Системы. Схематично, это можно представить так:

Анимация

Источник.


Следовательно, и ВЦ должны в основном излучать свои узконаправленные радиосигналы в плоскости своих планетных систем, или местных инопланетных “эклиптик”. Из этого следует, что наиболее благоприятные для поиска радиосигналов ВЦ будут планетные системы с минимальным наклоном планетных орбит к земному наблюдателю. Этот угол в настоящее время можно определить или ограничить восемью  способами:


1)      Метод прямого изображения. В ходе него экзопланету можно непосредственно увидеть на снимках, определить её орбиту, в том числе и наклон к земному наблюдателю. В настоящее время, таким образом, определены орбиты нескольких планет. К примеру, для Беты Живописца:


Бета Живописца b

Определенная орбита планеты Бета Живописца b из двух наблюдений (сама звезда не видна из-за особенностей звездной коронографии). Источник.


Из последних наблюдений угол наклона в этой системе составляет 90.69±0.68 градусов. Тем самым возможно даже эта планета для земного наблюдателя является транзитной, то есть проходит на фоне диска своей звезды. Это будет проверенно в ближайшие годы. Кроме того этим методом этот угол определен ещё для двух планетных систем: HR 8799 и Фомальгаута. Все эти три системы очень молоды (их возраст составляет несколько десятков или сотен миллионов лет) и поэтому внеземная жизнь в этих системах маловероятна. В тоже время для зрелых звезд (как наше Солнце) пока фотографический метод бессилен даже для обнаружения массивных планет у ближайших звезд.


2)      Астрометрический метод. Метод заключается в обнаружение колебаний звезд по небесной долготе и широте по причине наличия у них планеты или планет. Астрометрические колебания очень малы и поэтому, в настоящее время практически не известно достоверных планет, открытых этим методом. Единственное, что в последние годы этот метод стал применяться для ограничения масс планет, открытых методом лучевых скоростей. Для этого используются данные спутника “Гиппарх“ и космического телескопа “Хаббл“. Все эти оценки являются очень приблизительным. К примеру, для системы 55 Рака астрометрические измерения телескопа “Хаббл“ давали приблизительное наклонение планетной системы в 53±6.8 градусов, но в последствие оказалось, что этот угол близок к 90 градусам (внутренняя планета оказалась транзитной).

Ситуация с астрометрическим методом в будущем должна значительно улучшиться благодаря космической миссии GAIA. В настоящее время ожидается, что эта миссия за 5 лет наблюдений сможет обнаружить 21±6 тысяч планет (преимущественно планет массой в 1-5 масс Юпитера на расстояние до 500 парсек). 25-50 из них должны оказаться транзитными (их периоды обращения будут в районе 1-3 лет). Эти находки будут опубликованы лишь в 2022 году.


3)      Изучение межпланетных возмущений в системах, открытых с помощью метода лучевых скоростей. Метод лучевых скоростей привел к открытию нескольких уникальных планетных планетных систем, в которых периоды обращения кратны друг другу (то есть находятся в резонансах). По этой причине планеты сильно возмущают орбиты друг друга своими гравитационными  полями. Эти возмущения легко можно обнаружить тем же методом лучевых скоростей, и тем самым определить угол наклонения планетной системы. Лучшее применение этого метода было сделано для системы Глизе 876. Для этой системы удалось определить наклонение планетных орбит с точностью в 1 градус.


Художественное изображение системы Глизе 876

 Художественное изображение системы Глизе 876. Источник.


Для нерезонансных орбит этот метод работает гораздо хуже. Так для системы Ипсилон Андромеды он даёт лишь верхний предел наклонения планетных орбит.


4)      Регистрация фазовых кривых планет. Любая планета, обращаясь вокруг своей звезды, изменяет свой блеск в разных фазовых углах. Примерно, как наша Венера:

Фазы Венеры

  Фазы Венеры. Источник.


  В результате этих фаз любая звезда должна то увеличивать, то уменьшать свою яркость с периодом равным периоду обращения местной планеты. Такие фазы были действительно обнаружены для нескольких короткопероидичных планет.  Большинство из них, это транзитные планеты, но есть и нетранзитный случай для Ипсилон Андромеды b. В этом случае метод дал лишь верхний предел для наклонения планетной орбиты.


5)      Измерение орбитальной скорости планеты по доплеровскому смещению некоторых линий в спектре звезды. Эта методика заключается в получение спектров звезды, при разных фазовых углах обращающейся вокруг неё планеты. Существуют некоторые химические соединения, которых очень мало у звезд, но  в тоже время много у планет. К примеру, это СО или водяной пар. В результате чего в спектре звезды удаётся обнаружить периодические смещения спектральных линий движущейся планеты. К настоящему времени, этот метод позволил определить или ограничить наклонение трех нетранзитных планет.


Нетранзитные планеты, у которых удалось измерить орбитальную скорость через доплеровское смещение в спектрах

Нетранзитные планеты, у которых удалось к этому времени измерить орбитальную скорость через доплеровское смещение спектральных линий. Источник.


Точность метода высока – погрешность составляет лишь несколько градусов. С другой сторон,ы метод сильно ограничен применимостью лишь к очень короткопериодичным системам у близких и ярких звезд.


6)      Обнаружение и измерение ориентации пылевых дисков у планетных систем. Одной из самых заметных частей Солнечной Системы для внешнего наблюдателя является пояс Койпера. Его плоскость очень близка к плоскости планет нашей системы.


Наклонение известных малых тел Солнечной Системы

  Наклонение известных малых тел Солнечной Системы. Хорошо видны два крупных пояса – главный астероидный и пояс Койпера. Источник.


  Естественно предполагать, что и в других планетных системах пылевые диски и плоскости планетных систем будут компланарны к друг другу. К настоящему времени открыты тысячи таких пылевых дисков у молодых звезд, где маловероятно искать внеземную жизнь.  В тоже время, для звезд, с возрастом сравнимым с солнечным, такие системы известны лишь в единичных примерах. Одни из них является близкая система Тау Кита. Об этом я писал несколько месяцев назад. В результате наблюдений телескопом “Гершель“ удалось ограничить наклонение этой системы в 35±10 градусов. Для ещё нескольких планетных систем этим способом также удалось оценить угол наклонения: q1 Эридана нижний предел в 63 градусов, Глизе 581 в 30-70 градусов и HD 95086 в 25 градусов.


7)      Измерение наклонения оси вращения родительских звезд планетных систем. В нашей Солнечной Системе угол между плоскостью вращения Солнца и земной эклиптикой составляет всего 7.25 градусов. Поэтому разумно предположить, что и в других планетных системах этот угол также является очень небольшим. Звездные диски разрешены лишь у очень небольшого количества звезд, поэтому угол наклона звездного экватора к земному наблюдателю можно найти по формуле:

Формула

  где sini - синус угла наклона звездного экватора к земному наблюдателю, Prot – период вращения, vsini – измеренная скорость вращения звезды, R* - радиус звезды. Все эти неизвестные в формуле можно определить с высокой точностью, поэтому этот метод является, пожалуй, самым универсальным для оценки угла наклонения планетных систем к земному наблюдателю. Так в 2010 году такой угол наклона был оценен для 133 известных планетных систем. В тоже время точность метода составляет десятки процентов, и поэтому ему далеко по этому показателю до метода поиска транзитов, который определяет наклонение планетной орбиты с точностью до долей градуса. Более того известные транзитные планеты позволяют к этому времени измерить угол между звездным экватором и плоскостью планетных орбит для более сотни систем с помощью наблюдения эффекта Росситера-МакЛафлина. Эти измерения показывают, что для большинства систем этот угол действительно похож на значение в Солнечной Системе:

Углы между звездными экваторами и плоскостям планетных орбит

По вертикали углы между звездными экваторами и плоскостям планетных орбит. По горизонтали температура родительских звезд. Данные к началу 2014 года. Источник.


 Как видно из графика, лишь для нескольких систем этот угол достигает очень больших значений – вплоть до ретроградных орбит. Вероятно, это вызвано очень мощным взаимодействием между планетами или звездами в системе, что пагубно сказывается на вероятности зарождения там внеземной жизни.


 В общем же можно сказать, что метод определения ориентации звездных экваторов является наиболее универсальным для определения ориентации планетных систем, обнаруженных с помощью метода лучевых скоростей, который до недавнего времени занимал лидирующие позиции в области обнаружения экзопланет. В тоже время важно отметить, что для нас в первую очередь интересны планетные системы, которые мы наблюдаем с “ребра“ (по причинам, изложенным в начале этой статьи). Поэтому из почти тысячи планет, открытых с помощью косвенных методов (преимущественно метода лучевых скоростей) с точки зрения поиска радиосигналов ВЦ будут интересны в первую очередь лишь несколько десятков систем. Это на 1-2 порядка меньше (как и в случае астрометрического метода), чем открыл экзопланет метод поиска транзитов. О нем и пойдет речь дальше:


8)      Транзитный метод. Этот метод обнаруживает планеты, проходящие по диску своих звезд. Такие прохождения вызывают периодические уменьшения яркости звезд характерной чашеобразной формы, которые легко регистрируются современными телескопами. В настоящее время метод обнаружения транзитов вышел на первое место по количеству открытий экзопланет. Опубликовано около тысячи транзитных планет и около 5 тысяч транзитных кандидатов. Порядка 90% процентов всех планетных систем с известным углом наклонения являются транзитными планетами. Из всех известных систем, видимых для нас с “ребра ” доля транзитных планет составляет выше 99%. Открытия транзитных планет распределены на небе очень неравномерно:



 Открытия транзитных планет на небе от разных проектов. Источник.


  Наблюдаемые “сгущения“ открытий транзитных планет связаны с поисками больших или космических телескопов: “Кеплер”, “Корот” и OGLE. Последний проект очень примечателен тем, что искал транзитные планеты на плотных полях Балджа нашей галактики. Стоит отметить, что именно этот проект открыл первые экзопланеты в начале 21 века с помощью метода поиска транзитов. Проект OGLE-3 наблюдал миллионы слабых звезд, и среди них и нашел несколько транзитных горячих юпитеров у звезд 16-18 звездной величины. Примерно в тоже время телескоп “Хаббл“ смог обнаружить 18 похожих транзитных кандидатов при аналогичных наблюдениях созвездия Стрельца. Эти планетные системы из-за тусклости звезд были очень сложны для подтверждения и изучения. Поэтому затем проекты OGLE и телескоп “Хаббл” прекратили такие поиски, и транзитные планеты начали искать с помощью небольших телескопов (к примеру, проекты TRES, XO, WASP, HATnet, KELT и т.д.) у ярких звезд. Тем не менее, факт остаётся фактом, первые плоды метод поиска транзитов принес на плотных звездных полях Балджа нашей галактики. Скорее всего аналогичная ситуация будет и с ВЦ. Шансы принять случайные радиосигналы ВЦ от близких звезд минимальны, но они резко возрастают при таком поиске на плотных звездных полях, в особенности в направление на центр нашей Галактики.


Центр нашей галактики

Центр нашей галактики. Источник.


В случае если же мы сужаем поиски до узкой полосы эклиптики (откуда наша планета видна для ВЦ, как транзитная), то мы получаем уникальный шанс поймать не только случайный узконаправленный радиосигнал, но даже адресный, отправленный специально для нас. Адресный радиосигнал от внеземной цивилизации, которая тоже обнаружила нашу планету по нашим случайным радиосигналам.

В комментариях к прошлой заметке уважаемый genby высказал сомнения в результативности поисков в направление центра галактики, по причине частых вспышек сверхновых. К сожалению, тут сложно что-то сказать определенное. В частности в прошлом обсуждение приводилось исследование 2011 года, по результатам которого был получен следующий вывод:

Вопрос, который поставили перед собой Майкл Гованлок и его коллеги, звучал следующим образом: как уравновешены между собой такие процессы, как темп формирования планет, темп взрыва сверхновых и время, которое занимает комплексная эволюция жизни?

Моделирование, проведенное учеными, дает четкий ответ на этот вопрос. По их данным, обитаемые планеты настолько распространены по направлению к центру галактики, что, хотя многие из них и были уничтожены сверхновыми, их осталось достаточно много, чтобы в течение долго времени на них могла развиться жизнь.
Их модель предполагает, что 2,7% звезд во внутренней части галактики могли бы иметь обитаемые планеты, и также не должно быть обитаемых планет слишком далеко от центра галактики. Гованлок и его соавторы утверждают, что лишь около 0,25% всех звезд во внешних частях галактики могут иметь обитаемые планеты.

 Данный вывод существенно отличается от модели стандартного тора в качестве «галактической зоны обитаемости» и означает, что потенциально интересными с точки зрения возможности существования жизни являются довольно много звезд. «Мы прогнозируем, что около 1,2% всех звезд имеют планеты, которые могли бы поддерживать сложные формы жизни в определенные моменты истории галактики», — говорится в статье.


По этой причине и выходит, что шансы обнаружить первые радиосигналы от ВЦ именно с направления к центру Млечного Пути являются наиболее максимальными. Ещё более они вырастают при радиомониторинге областей пересечения эклиптики и Млечного Пути. Как я и говорил выше, скорее всего в этом направление и будут открыты первые ВЦ. Они будут удалены от нас на многие тысячи световых лет, мы не сможем с ними контактировать. Их открытие лишь даст мотивацию для поиска более близких ВЦ, как было в истории с открытиями транзитных планет.
Tags: seti, внеземные цивилизации, транзитные планеты, угол наклона планетной системы
Subscribe
promo za_neptunie july 10, 2014 20:36 8
Buy for 30 tokens
Число постов в блоге перевалило за сотню, поэтому я решил систематизировать их по различным тематиками. Это поможет мне и моим читателям быстрее находить в блоге интересную информацию. Последнее обновление от 4 августа 2014 года Венера Новая книга о Венере Венера-Экспресс готовится к…
  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 0 comments