za_neptunie (za_neptunie) wrote,
za_neptunie
za_neptunie

Текущие и будущие перспективы исследования ближайшей экзопланеты (часть 1)



   24 августа 2016 года астрономы Южной Европейской обсерватории официально объявили об открытии потенциально обитаемой планеты в системе ближайшей звезды. За прошедшее время ближайшей планетной системе было посвящено 34 публикации только в Архив.орг (плюс 7 публикаций, в которых эта тема затрагивается частично). В связи с этим я решил сделать обзор, который кратко расскажет о текущих и будущих перспективах исследования ближайшей планетной системы.


    Первооткрыватели планеты Проксима b сообщили её основные характеристики: период обращения 11.2 суток и минимальная масса 1.27 масс Земли. Точная масса планеты неизвестна по причине неизвестного угла наклонения, даже минимальная масса планеты известна с большой погрешностью: она лежит в диапазоне между 1.10 и 1.46 масс Земли. Вероятность транзита планеты составляет только 1.5%. Эксцентриситет орбиты также точно неизвестен, его верхний предел равен 0.35. Расположение планеты с небольшой массой в зоне жизни ближайшей звезды позволяет предполагать возможность наличия жидкой воды на поверхности планеты вместе с наличием биосферы. В связи с этим планета названа потенциально обитаемой. Так в каталоге потенциально обитаемых планет Проксима b находится на первом месте в консервативной выборке:



    11.2-суточный периодический сигнал планеты был обнаружен ещё в 2013 году наряду с несколькими другими возможными сигналами. Однако публикация об этом под руководством Микко Туоми тогда не прошла рецензирование. Работа 2013 года предполагала существование четырехпланетной системы у ближайшей звезды (c периодами обращения в 11, 31, 320 и 2000 суток):



    Тем самым, если бы не секретность астрономов и осторожность рецензентов наиболее авторитетных научных журналов, то о потенциально обитаемой планете с периодом обращения в 11 суток в системе Проксима Центавра мир мог узнать ещё в 2013 году. К этому времени исследователи обладали 90 измерениями лучевой скорости, полученными на спектрографе HARPS (2005-2013 годы) и 72 измерениями спектрографа UVES (2000-2008 годы).
Для подтверждения периодического сигнала в рамках проекта Pale Red Dote на спектрографе HARPS были получены еще 54 измерения (наблюдения проводились почти каждую ночь в период с 19 января по 31 марта 2016 года).



   Новые наблюдения подтвердили реальность периодического сигнала:





    Если по измерениям до 2016 года вероятность ложного сигнала не превышала 0.1-1% (1 к 100-1000), то после 2016 года эта вероятность в данных за 16 лет снизилась до 1 к 10-700 миллионов. В тоже время фотометрические наблюдения показывают только периодический сигнал с периодом в 83 суток по причине вращения звезды.



    Кроме того в данных виден возможный второй сигнал с периодом в 60-500 суток. Насчет его природы первооткрыватели предположили, как планетное происхождение, так и активность звезды.

    Первооткрыватели отмечают, что в вопросе возможной обитаемости планеты необходимо учитывать близость планеты к вспышечной звезде небольшой светимости (светимость Проксима Центавра примерно в 1000 раз меньше, чем у нашего Солнца). Хотя в оптическом диапазоне Проксима b получает на 40% меньше энергии от своей звезды, чем Земля от Солнца, в рентгене планета должна получать в 400 раз больше излучения, чем наша Земля. Величина индукции магнитного поля Проксима Центавра в несколько сотен раз превышает такой же показатель у Солнца: 600±150 против 1 Гаусс.


    Как уже говорилось выше, после исторического открытия планеты у ближайшей звезды появилось несколько десятков научных публикаций и пресс-релизов. В них исследователи обсуждают следующие вопросы:

Существует ли планета на самом деле и насколько точно определена её орбита? Существуют ли другие планеты в системе ближайшей звезды?

     Землеподобные планеты в системах красных карликов вызывают колебания лучевой скорости звезды с полуамплитудой около одного метра в секунду. Надежное обнаружение таких колебаний является сложной задачей по причине того, что активность звезд часто вызывает схожие колебания. В связи с этим большое значение придаётся независимой перепроверке результатов по обнаружению небольших планет с помощью метода лучевых скоростей. Так открытие небольшой планеты в системе Альфа Центавра b на 3-суточной орбите было позже оспорено другими исследователями, и, в конце концов, даже сами первооткрыватели этой планеты согласились с этими выводами.

    В случае с Проксима b независимые исследователи наоборот подтверждают реальность планетного сигнала с периодом в 11.2 суток через повторный переанализ существующих данных. Перепроверка показывает похожее значение минимальной массы планеты: 1.21±0.16 масс Земли против 1.27±0.18 масс Земли у первооткрывателей. Ключевой неопределенностью является плохо ограниченный эксцентриситет орбиты планеты: 0.17+0.21-0.12 против <0.35 у первооткрывателей. Независимая перепроверка также показала отсутствие в данных достоверных сигналов дополнительных планет с периодами обращения между 100 и 6000 суток. Другой исследователь (Роберт Браун) в ходе переанализа данных получает наиболее вероятное значение эксцентриситета в 0.25 с нижним пределом в 0.025.

    В вышеприведенных работах исследователи проводили независимый переанализ уже опубликованных данных. В связи с этим возникает вопрос, проводятся ли дополнительные измерения лучевой скорости звезды для уточнения параметров планеты? Архив ESO (Южной Европейской обсерватории) показывает, что с 30 июня 2017 года начались новые наблюдения Проксима Центавра на спектрографе HARPS (в период с 30 июня по 10 июля получено 7 спектров). Программа носит примечательное название: “Red Dots : All Red Terrestrial Planets Within 5 pc“ или “Все красные точки в радиусе 5 парсек”. Параллельно спектрограф HARPS наблюдал ближайшую звезду в поляриметрическом режиме в начале этого года в рамках программ: USING SPECTROPOLARIMETRY TO STUDY AND FILTER OUT ACTIVITY JITTERS IN RV CURVES OF M DWARFS и CONFIRMING THE PLANETARY NATURE OF THE LOW MASS AND/OR LONG PERIOD TRANSITING PLANET CANDIDATES FROM THE HATSOUTH SURVEY (в период с 19 апреля по 30 июня получено 28 спектров с общим временем экспозиций в 9 часов).

     Кроме того спектры Проксима Центавра активно изучаются в плане калибровки будущих инфракрасных спектрографов, предназначенных для поиска потенциально обитаемых планет с помощью метода лучевых скоростей. Так 3.6-метровый телескоп ESO в 2019 году планируется дополнить инфракрасным спектрографом NIRPS (для поиска планет предлагается выделить на этом спектрографе 740 ночей наблюдательного времени на первые 5 лет). В настоящее время на 3.6-метровом телескопе ESO установлен оптический спектрограф HARPS.

     Телескоп Кеплер и недавнее обнаружение системы TRAPPIST-1 показали, что многопланетные системы у небольших звезд являются распространенным явлением во Вселенной. В связи с этим остаётся высокая вероятность обнаружения других планет в системе ближайшей звезды. Проксима Центавра в прошлом неоднократно являлась целью фотографического поиска планет с помощью крупнейших наземных и космических телескопов. К примеру, на Хаббле и VLT c помощью камеры NACO. 29 февраля и 15 апреля 2016 года фотографирование окрестностей ближайшей звезды произвела камера SPHERE, установленная на 8-метровом телескопе VLT. Эту камеру вместе с камерой GPI называют на сегодняшний день лучшими для поиска экзопланет фотографическим методом. В результате этих наблюдений удалось исключить наличие массивных планет и коричневых карликов:



Можно ли зарегистрировать излучение от планеты (собственное тепловое или отраженный свет)?


    Одновременно с наблюдениями с целью обнаружения других планет в системе ближайшей звезды идут дискуссии, может ли камера SPHERE обнаружить на снимках саму планету Проксима b? Угловое разделение между планетой и звездой составляет 37 угловых миллисекунд (mas), что сравнимо с угловым разрешением 8.2-метрового телескопа VLT в оптическом диапазоне. В тоже время по оценкам планета в 10 миллионов раз тусклее своей звезды (эта разница называется контрастом), что недостаточно для обнаружения этой камерой (камера способна увидеть на таком угловом разделение источник, который тусклее звезды в 1-10 тысяч раз).



    В связи с этим предлагается путь решения этой проблемы через модернизацию камеры вместе с её совместной работой с высокоточным спектрографом ESPRESSO (этот спектрограф проведет первые наблюдения в ближайшие месяцы). Ожидается, что обнаружение планеты на статистическом уровне доверия в 5-сигм потребует 20-40 ночей наблюдений при условии, что планета обладает землеподобным спектром (атмосферой). Подобное обнаружение позволит точно определить массу и альбедо планеты. Если же спектр (атмосфера) планеты будет другим, то это значительно затруднит обнаружение планеты:



    Каждая линия на схеме выше означает разный состав атмосферы планеты. Снизу вверх: контраст 400 миллионов для безводной планеты с атмосферой из СО2; контраст в 10 миллионов для приливно захваченной землеподобной планеты; контраст в 14 миллионов для землеподобной планеты в резонансе 3:2; контраст в 20 миллионов для венероподобной атмосферы с аэрозолями.
Также отмечается, что высокое спектральное разрешение спектрографа ESPRESSO (R=220 000) позволит обнаружить отдельные спектральные линии. Так возможно обнаружение линии кислорода О2 на длине волны в 627, 686 и 760 нанометров (для статистически достоверного подобного обнаружения на уровне 3.6 сигм потребуется 60 ночей наблюдений), а также линий водного пара на 717 нанометрах и метана на 715 нанометрах. Подобные наблюдения для более надежной интерпретации необходимо проводить в рамках 3-летней программы. Для демонстрации возможности подобного обнаружения предлагается сначала провести похожие наблюдения для газового гиганта Глизе 876b. У этой планеты ожидаемый контраст будет в 10 раз больше, чем у Проксима b при похожем угловом разделении:



   Одновременно предпринимаются попытки обнаружить излучение от планеты в уже существующих оптических спектрах работающего спектрографа HARPS. Здесь надежды возлагаются на высокую активность звезды, которая должна порождать мощные полярные сияния в атмосфере планеты. По теоретическим расчетам линия ионизированного кислорода на длине волны в 5577 Ангстрем у Проксима b должна быть в 100 раз сильнее, чем у Земли, и обладать мощностью излучения в 0.1 тераватт. Кроме того ожидается, что в период сильных магнитных бурь контраст планеты на этой спектральной линии может уменьшаться от 1 к 1-10 миллионам до 10-100 тысяч с увеличением мощности излучения до 1-10 тераватт. На изображение ниже показан теоретический оптический спектр планеты Проксима b c излучающей линией ионизированного кислорода от местного полярного сияния с мощностью в 1 тераватт:




    Авторы этих теоретических выкладок произвели поиск подобного излучения на длине волны 5577 Ангстрем в существующих спектрах спектрографа HARPS. Отрицательный результат поисков показывает нижний предел на излучение линии ионизированного кислорода в 3000 тераватт (контраст 1 к 200), что соответствует теоретическим ожиданиям. Ожидается, что будущие 20-40-метровые телескопы следующего поколения будут способны обнаружить данную линию (для регистрации контраста 1 к 7 миллионам таким телескопам потребуются экспозиции продолжительностью порядка суток). Похожие расчеты и для других существующих и будущих телескопов:



   Интересно отметить, что 29 мая и 2 июня этого года в ESO попытались обнаружить отраженный свет Проксима b c помощью интерферометра VLTI и камеры GRAVITY. Данная камера использует свет всех 4-х телескопов VLT и была создана для отслеживания звезд, обращающихся вокруг центра нашей галактики. Поэтому эта камера расположена между телескопами (желтая звезда на схеме):



    Камера обладает точностью астрометрических измерений в 10 угловых микросекунд, и по этому показателю примерно в 50 раз лучше камеры NACO:



   Угловое разрешение камеры составляет 3 микросекунды.

    Обсуждается возможность обнаружения планеты и с помощью будущего космического телескопа имени Джеймса Вебба, запуск которого планируется в следующем году. Здесь предполагается обнаружить фазовую кривую собственного теплового излучения планеты на длине волны в 5-12 микрон. Ожидается, что в зависимости от длины волны амплитуда фазовой кривой теплового излучения планеты может составлять от 1 до 100 ppm (частей на миллион):



    По другим расчетам при удачном наклонении орбиты контраст на длине волны в 24 микрон может достигать 10 тысяч ppm:



   Теоретически данные наблюдения смогут проверить наличие атмосферы у планеты: на статистическом уровне доверия в 4 сигма произвести разграничение между случаями безатмосферной твердой планеты и планеты с атмосферой, которая переносит 35% энергии с дневной на ночную сторону. Кроме того за несколько месяцев наблюдений существует возможность обнаружения линии озона на длине волны в 9.8 микрон. Надежная регистрация фазовой кривой теплового излучения планеты позволит определить наклонение орбиты планеты с точностью до 1 углового градуса и средний радиус планеты с точностью до 5-10 процентов. Последняя величина погрешности вызвана большой неопределенностью в оценках размера звезды (погрешность в 5%) и массы планеты (погрешность в 10%).

    Между тем в недавно утвержденном перечне программ первого цикла телескопа JWST наблюдения ближайшей системы отсутствуют.

    Нынешние теоретические модели пока затрудняются точно сказать, обладает ли Проксима b атмосферой или нет:








    В первую очередь такая неопределенность вызвана неизвестной массой планеты. Если планета обладает атмосферой, то высока вероятность наличия у неё океана из жидкой воды. В этом случае появляется возможность регистрация бликов с помощью будущих 20-40 метровых наземных телескопов. Подобные блики уже регистрировались за пределами Земли от метановых морей Титана с помощью станции Кассини:



   Расчеты показывают, что будущие наземные телескопы 20-40-метрового класса смогут за несколько десятков часов наблюдений обнаружить отраженный свет от планеты, а также её тепловое излучение. Так инфракрасной камере METIS 39-метрового телескопа E-ELT понадобится 30 часов наблюдений для обнаружения теплового излучения планеты на длине волны в 4.85 микрон:



    Регистрация отраженного света планеты потребует десятки часов наблюдений (предпочтительнее с помощью ИК-спектрографов):





    На квартальном семинаре в AMES в сентябре 2016 года было озвучено несколько докладов по возможностям будущего 24-метрового телескопа GMT для исследования ближайшей экзопланеты. Для данного телескопа создаётся первое поколение инструментов (спектрографы и камеры):



   Как видно из таблицы, в наибольшей технической готовности находится оптический спектрограф высокого разрешения G-CLEF (GMT CfA Large Earth Finder). В то время пока другие инструменты первого поколения только проектируются и обсуждаются, спектрограф G-CLEF уже находится в стадии изготовления.



    Если для получения высокоточных измерений лучевой скорости Проксима Центавра спектрографу HARPS (3.6-метровый телескоп) требуются 1200-секундные экспозиции, то спектрографу G-CLEF будет достаточно 22-секундных экспозиций:



    В связи с этим появляется возможность значительного улучшения точности измерений, так как метод лучевых скоростей в настоящее время находится в застое:



   Для выхода на точность измерений в 2 см в секунду потребуются инвестиции в строительство новых спектрографов в размере 50 миллионов долларов.



    Остальные приборы будущего телескопа могут попытаться обнаружить собственное тепловое излучение или отраженный свет от Proxima b или других возможных планет в этой системе или системах других ближайших красных карликов:






     Ещё один слайд из доклада на эту тему с конференции GMT-2016:





Возможно ли обнаружить водородную корону планеты?


    Если же масса планеты достаточно велика, то растут шансы на наличие у Проксима b мощной водородной атмосферы (короны) или даже водородного хвоста, который недавно был обнаружен в планетных системах Глизе-436 и Кеплер-444. Обнаружение водородных атмосферы происходит через регистрацию их транзитов в резонансной линии нейтрального водорода Лайман-альфа. По причине значительного превышения водородных атмосфер и водородных хвостов над видимым диаметром планеты, подобный транзит в линии нейтрального водорода Лайман-альфа может наблюдаться и для нетранзитной планеты. Так недавно подобный транзит был зарегистрирован для нетранзитной планеты 55 Рака b. Поэтому велики шансы, что подобный транзит можно обнаружить и для Проксима b даже при её нетранзитной конфигурации. В настоящее время монополистом на подобные наблюдения является космический телескоп Хаббл (земная атмосфера не пропускает УФ-излучение, в которой находится резонансная линия нейтрального водорода Лайман-альфа). Данный космический телескоп в ближайшем будущем завершит свою работу по причине закрытия программы Спейс Шаттл, в ходе которой осуществлялись сервисные миссии по обслуживанию и модернизации телескопа. Поэтому в вопросе регистрации транзитов водородной короны планета Проксима b возлагаются большие надежды на будущий российский космический телескоп Спектр-УФ.







Tags: Проксима Центавра, Южная Европейская Обсерватория, близкие звезды, метод лучевых скоростей, обзор, потенциально обитаемая планета, экзопланеты
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.
  • 2 comments