za_neptunie (za_neptunie) wrote,
za_neptunie
za_neptunie

Вопрос встречаемости аналогов Юпитера у солнцеподобных звезд (первая часть)



  Юпитер – это самая массивная планета в Солнечной Системе. Её диаметр в 11 раз превышает размер нашей планеты, а масса составляет 318 масс Земли. Эта планета совершает один оборот вокруг Солнца за 4333 суток (12 земных лет).

    Считается, что для стороннего наблюдателя, Юпитер является самой легкообнаруживаемой планетой Солнечной Системы. В тоже время даже обнаружение аналогов Юпитера у солнцеподобных звезд является очень сложной задачей для любого из существущих методов обнаружения экзопланет (метода лучевых скоростей, метода микролинзирования, транзитного, астрометрического или фотографического метода). До сих пор оценки на тему, как часто встречаются подобные планеты у звезд похожих на Солнце колеблятся от нескольких процентов до нескольких десятков процентов. Этот вопрос является более чем важным, так как многие теоретики считают, что Юпитер играет важную роль по защите Земли от комет.




   Исторически метод лучевых скоростей стал первым, который смог обнаруживать долгопериодические планеты-гиганты. Аналог Юпитера вызывает у солнцеподобной звезды колебания лучевой скорости с амплитудой в 10 метров в секунду и периодом в 12 лет. Поэтому для обнаружения аналогов Юпитера были необходимы многолетние измерения лучевых скоростей множества звезд с точностью, как минимум в несколько метров в секунду. В связи с этим в мире существует только несколько обзоров, которые смогли осуществить многолетние обзоры, нацеленные на обнаружение аналогов Юпитера.

1)     Калифорнийская группа.

    Поиски начались в 1987 году на 3-метровом телескопе Ликской обсерватории с использованием спектрографа Гамильтон (он работал до 2011 года). Первоначально наблюдалось около сотни звезд, затем выборка с 1997 года была расширена до примерно 300 звезд. С 1996 года группа начала использовать спектрограф HIRES на 10-метровом телескопе Кек. Это позволило увеличить выборку до двух тысяч звезд.

     Уже в 2008 году эти наблюдения смогли обнаружить аналог Юпитера у звезды, которая немного холоднее Cолнца. Речь идет о системе HD 154345 (период обращения в 3350 суток, минимальная масса в 0.9 масс Юпитера, эксцентриситет орбиты 0.0-0.1, спектральный класс звзеды G8):





   В настоящее время, по поводу достоверности этой планеты возникли серьезные сомнения: колебания лучевой скорости звезды, приписываемые этой планете, хорошо коррелируются с хромосферной активностью самой звезды.

    В тоже время гораздо больше долгопериодических планет с массой около массы Юпитера была найдено в уже известных планетных системах (к примеру, Ипсилон Андромеды, 47 Большой Медведицы, Мю Жертвеника и т.д.). Это во многом являлось следствием того, что системы с известными короткопериодичными планетами чаще становились целью многолетних высокоточных измерений лучевой скорости звезды.

    Постепенно начали появляться и общие статистические оценки по частоте долгопериодических планет. В работе 2008 года ограничиваются периодами обращения планет до 2000 суток (8 лет). В этой работе были представлены, как опубликованные планеты (круги), так и неопубликованные кандидаты (треугольники), многие из которых были вблизи Юпитера:




  В результате была сделана оценка, что газовые гиганты с массой примерно равной массе Юпитера и периодами обращения в 1-8 лет встречаются примерно у 2-3% звезд:



 В декабре 2015 года была опубликована оценка уже частоты аналогов Юпитера. Авторы в этой работе упомянули, что наблюдения на телескопе Кек смогли обнаружить примерно половину известных долгопериоидических планет:



  Восемь этих планет были обнаружены среди 1122 наблюдавшихся звезд. В итоге авторы работы оценивают частоту аналогов Юпитера в 1-4% (вероятнее всего в 3%).



   В тоже время южные звезды Калифорнийская группа решила наблюдать с 1998 года на 3.9-метровом телескопе AAT. Для поисков аналогов Юпитера здесь было отобрано около 200 звезд. В работе 2010 года доля подобных планет оценивалась в менее чем 37% (скорее всего 3.3%). Эта оценка была получена из обнаружения обзором трех аналогов Юпитера:



  При расчете оценки встречаемости учитывалось, что лишь для половины звезд выборки было возможным обнаружить настоящий аналог Юпитера:



  В начале 2016 года таже группа опубликовала новую работу по этому поводу. Эта публикация уже базировалась на 8 обнаруженных аналогах Юпитера:



  Чувствительность к таким планетам в этой работе значительно выросла:



  В итоге авторы оценили, что доля звезд с планетами (массой больше 0.3 масс Юпитера, большой полуосью орбит больше 3 а.е. и эксцентриситетом орбиты меньше 0.3) составляет 4.6-9% (наиболее вероятное значение 6.2%).


2)    Техасская группа

    С 1988 года группа астрономов начала измерения лучевых скоростей у 31 звезды на 2.7-метровом телескопе в техасской обсерватории Макдональда. К 2006 году эта группа могла исключить наличие планет с минимальной массой больше 2 масс Юпитера и большой полуосью орбиты в 5.2 а.е. (при нулевом эксцентристите орбит) у 25 звезд из 31 звезд выборки. В 1998 году выборка звезд была увеличина примерно до 200 звезд. В результате среди добавленных звезд удалось обнаружить три долгопериодические планеты (одна опубликована  в 2012 году и две опубликованы в 2015 году. Кроме того были обнаружены ещё две возможные долгопериодические планеты, которые скорее всего являются следствием звездной активности.


3) Женевская группа

    В 1993 году группа швейцарских астрономов начала поиски планет с помощью спектрографа ELODIE на 1.9-метровом телескопе обсерватории OHP. Первоначально наблюдалось около сотни звезд, но затем северная выборка была увеличена до двух тысяч звезд (в 2006 году спектрограф ELODIE заменили на более совершенный спектрограф SOPHIE). Южные звезды эта же группа начала наблюдать с помощью спектрографа CORALIE (1.2 метровый телескоп в обсерватории ESO). В 2003 году к наблюдениям южных звезд присоединился спектрограф HARPS (уставновленный на 3.6-метровом телескопе в обсерватории ESO). Южная выборка включила также около двух тысяч звезд.

    В 2004 году были подведены итоги обзора на спектрографе ELODIE (он смог обнаружить 18 планет). Была найдена частота планет массивнее 0.5 масс Юпитера в 0.7±0.5% для периодов обращения меньше 5 суток, 4.0±1.1% для периодов обращения меньше 1500 суток, 7.3±1.5% для периодов меньше 3900 суток. Чувствительность этого обзора на схеме ниже (красными точками отмечены планеты, подтвержденные в рамках обзора; треугольниками отмечены планеты, найденые вне обзора или подтвержденные открытия других обзоров):




   В 2012 году для северной выборки было объявлено об открытии двух новых и подтверждении двух ранее известных аналогов Юпитера:



  В этой же работе было показано, что зависимость от металличности звезд выполняется и для долгопериодических планет-гигантов:




 Южные звезды Женевская группа начала наблюдать сравнительно недавно, поэтому в их статьях пока не приводятся подробные статистические оценки частоты долгопериодических планет. Так в большом обзоре 2011 года в основном концентрируются на встречаемости небольших короткопериодичных планет. Хотя на схемах того же обзора всё же пытаются оценить долю долгопериодических планет-гигантов, открытых на спектрографах CORALIE и HARPS:






  В результате в обзоре получают оценку примерно в 15% звезд с планетами-гигантами (массивнее 0.15 масс Юпитера) с периодами обращения меньше 10 лет:



  Если же брать только планеты массивнее 0.3 масс Юпитера, то эта доля снижается до 10%:



  С тех пор поиск аналогов Юпитера в южной выборке продолжается. В 2015 году была опубликована находка вероятного (гипотеза звездной активности пока не исключена) аналога Юпитера у звезды HIP11915, входящей в подвыборку 63 солнечных аналогов. Данная возможная планета обладает периодом обращения в 3800 суток, при очень похожей массе и экцентриситете орбиты на наш Юпитер.

    Кроме того можно отметить примечательную звезду Тау Кита (ближайший одиночный желтый карлик), которая активно наблюдается несколькими группами уже несколько последних десятилетий. В результате, у этой металл-бедной звезды аналоги Юпитера исключаются с высокой статистической достоверностью.


    В отличие от метода лучевых скоростей для метода микролинзирования обнаружение массивных планет за снеговой линией является наиболее легкой задачей. В тоже время существует ряд трудностей:
1) Большинство событий микролинзирования в Балдже галактики происходит с красными карликами, а не с желтыми карликами.
2) Событие микролинзирования наблюдается для одной конкретной системы лишь один раз, в связи с этим существуют большие трудности в детальных исследованиях обнаруженных планетных систем (особенно учитывая, что в большинстве случаев расстояние до них измеряется многими тысячами световых лет).




  Тем не менее, данный метод также позволил получить несколько оценок частоты наалогов Юпитера.


1) В 2001 году был опубликован анализ 43 событий микролизирования за 1995-1999 годы. Этот анализ определил, что у меньше 33% красных карликов есть планеты массой с Юпитер на удалениях в 1.5-4 а.е. и у меньше 45% красных карликов есть планеты массой в 3 массы Юпитера на удалениях в 1-7 а.е.

2) В 2003 году был опубликован анализ 145 событий микролинзирования проекта OGLE за 1998-2000 годы, который определил, что у менее 21% красных карликов есть планеты массой с Юпитер на удалениях в 1-4 а.е.

3) В 2004 году был опубликован анализ 321 событий микролинзирования проекта OGLE за 2002 год. В этих событиях найден один достоверный планетный кандидат и один маловероятный планетный кандидат. В результате этого был сделан вывод, что примерно у 18% красных карликов есть холодные юпитеры на расстояние в 4 а.е.

4) В 2010 году был опубликован анализ 6 событий микролинзирования с обнаруженными планетами, найденными в 13 событиях микролинзирования с высокой амплитудой (А>200) в 2005-2008 годах. Масса линз в рассматриваемых событиях была заключена от коричневых карликов до ранних красных карликов:




  В этих событиях микролинзирования были обнаружены следующие планеты:
OGLE-2005-BLG-169Lb нептун (масса 13 массы Земли) в 2.7 а.е.
OGLE-2006-BLG-109Lb юпитер (масса 0.7 массы Юпитера) в 2.3 а.е.
OGLE-2006-BLG-109Lc сатурн (масса 0.3 массы Юпитера) в 4.5 а.е.
OGLE-2007-BLG-349Lb нептун (масса 20 масс Земли) в 3.3 а.е.
MOA-2007-BLG-400Lb юпитер (масса 0.9 масс Юпитера) в 0.9 а.е.
MOA-2008-BLG-310Lb субсатурн (0.3 массы Юпитера) в 1.3 а.е.

   В результате был сделан вывод, что нептуны и юпитеры у красных карликов за снеговой линией встречаются примерно у половины звезд (что согласовывалось с данными по короткопериодичным планетам):




  С другой стороны, экстрополяция частоты газовых гигантов у красных карликов на желтые карлики говорила о том, что подобные планеты там должны встречаться примерно у половины звезд:



   Кроме того, тот факт, что среди шести планет была обнаружена двухпланетная система с близнецом Солнечной Системы (юпитер и сатурн за снеговой линией) говорил о том, что подобные системы встречаются примерно у каждой шестой планетной системы красного карлика. К сегодняшнему дню в событиях микролинзирования обнаружены ещё две двухпланетные системы: OGLE-2012-BLG-0026 у желтого карлика (сатурн и юпитер) и OGLE-2014-BLG-1722 у красного карлика (два субсатурна с оцениваемой встречаемостью 1 к 8 для красных карликов). В целом работа оценила встречаемость нептунов и юпитеров у красных карликов в 21-51% (наиболее вероятное значение 36%).

     В 2015-2016 году на нескольких конференциях появился доклад о новом статическом исследование, которое считает, что оценки работы 2010 года оказались завышенными. В этом исследование анализируются 1472 событий микролинзирования из обзора MOA II за 2007-2012 годы. В этих событиях были найдены 23 планет. Каждое событие микролинзирования обладает разной чувствительностью к обнаружению планет. На схеме ниже контуры обозначают, сколько планет было бы обнаружено, если бы у каждой звезды было бы по планете на любой возможной орбите:




  В итоге авторы последней работы приходят к выводу, что встречаемость планет за снеговой линией несколько ниже, чем следовало из анализа 2010 года, и она лучше коррелируется с аппроксимацией обнаружений планет из метода лучевых скоростей:





  В целом анализ говорит, что нептуны за снеговой линией встречаются в 8 раз чаще, чем юпитеры:




5) Работа 2012 года анализирует события микролинзирования за 2002-2007 годы. Этот анализ уже включил в себя 11 обнаруженных планет, найденных в 196 событиях микролинзирования:



  В результате было найдена следующая встречаемость планет у красных карликов на расстояниях в 0.5-10 а.е.:

А) у 8-23% звезд (наиболее вероятное значение 17%) есть планеты массой в 0.3-10 масс Юпитера;
Б) у 23-74% звезд (наиболее вероятное значение 52%) есть планеты массой в 10-30 масс Земли;
В) у 25-97% звезд (наиболее вероятное значение 62%) есть планеты массой в 5-10 масс Земли.

    В целом же это говорило о встречаемости подобных планет у 71-232% звезд (наиболее вероятное значение 160%). То есть у каждой звезды может быть по несколько планет с массой больше 5 масс Земли.

6) Работа 2014 года уже детально сравнивает различия в оценках планетной частоты для метода лучевых скоростей и метода микролинзирования. В результате для красных карликов встречаемость аналогов Юпитера у красных карликов оценивается примерно в 1-6% (наиболее вероятное значение 4%):




  На недавней летней конференции экзопланетного института NASA имени Карла Сагана автор работы 2014 года представил дополнение своих оценок за счет включения пределов из фотографических обзоров:





7) Работа 2015 года анализирует 224 событий микролинзирования от проектов второго поколения (OGLE IV, MOA II и Wise) за 2011-2014 годы. В этих событиях было найдено 29 аномалий, 9 из которых являются вероятными планетами:





  После коррекции эффектов наблюдательной селекции (серые столбцы) удалось определить, что нептуны встречаются за снеговой линией примерно в 10 раз чаще юпитеров (в целом планеты наблюдаются у примерно половины звезд):

a)     у 3.2-12.7% звезд (наиболее вероятное значение 7.8%) с примерной массой в 0.3 массы Солнца встречаются звездные компаньоны
b)    у 2.9-7.3% звезд (наиболее вероятное значение 4.7%) с примерной массой в 0.3 массы Солнца встречаются коричневые карлики
c)     у 2.6-9.0% звезд (наиболее вероятное значение 5.0%) с примерной массой в 0.3 массы Солнца встречаются юпитеры
d)    у 28-84% звезд (наиболее вероятное значение 50%) с примерной массой в 0.3 массы Солнца встречаются нептуны
e)     у 33-89% звезд (наиболее вероятное значение 55%) с примерной массой в 0.3 массы Солнца встречаются нептуны и юпитеры


    Все приведенные выше оценки даны для красных карликов, в связи с чем доля холодных планет-гигантов у желтых карликов может быть гораздо выше. Так поиски короткопериодичных планет-гигантов с помощью метода лучевых скоростей показали четкую зависимость не только от металличности, но и от массы звезды. К примеру, в работе 2007 года показано, что планеты с минимальной массой больше 0.8 масс Юпитера и большой полуосью орбиты меньше 2.5 а.е. у красных карликов встречаются в 2.5 раза реже, чем у желтых карликов:




 В работе 2010 года приводится даже более наглядный график, на котором показана зависимость встречаемости планет-гигантов и от массы звезды, и от металличности звезды:



  В тоже время можно отметить, что метод микролинзирования постепенно начинает открывать планеты и у желтых карликов. Так недавно благодаря дополнительным наблюдениям была пересмотрена масса звезды двухпланетной системы OGLE 2012-BLG-0026, в результате чего эта солнцеподобная звезда стала наиболее массивной среди известных планетных систем, открытых с помощью метода микролинзирования:




  Одновременно быстро развивается и фотографический метод. Как следует из недавней публикации, чувствительности недавнего обзора IDPS (International Deep Planet Survey) уже хватает для установления верхнего предела встречаемости аналогов Юпитера у молодых желтых и белых карликов главной последовательности в 80%:
 



  В настоящее время осуществляются ещё более масштабные фотографические обзоры с целью поиска экзопланет (с помощью камер GPI и SHRERE). Первый из этих обзоров уже смог в 2014 году открыть одну из самых маломассивных экзопланет в системе 51 Эридана (субгигант F класса). Это открытие ещё более примечательно тем, что лишь для менее 16 звезд обзора, камера GPI была способна обнаружить такую маломассивную планету на небольшом удалении от звезды:



  Это должно означать большую встречаемость подобных планет.
Tags: аналог Юпитера, обзор, статистика, 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.
  • 0 comments