«В далеком созвездии Тау Кита…»

18:28 15/04/2018
👁 283

Экзопланета

Где находится ближайшая к нам планета, пригодная для земной жизни? Автор данной заметки в своей книге «Ковчег 47 Либра» поместил ее на расстояние 60 световых лет. Оценка была сделана «в лоб» по данным «Кеплера». Оказалось, что эта величина сильно завышена.

Так, Эрик Петигура, Эндрю Говард и Джеф Марси (Erik A. Petigura, Andrew W. Howard, Geoffrey W. Marcy, [1]) измерили вероятность того, что планета земного типа у звезды типа Солнца будет найдена в данных космической обсерватории «Кеплер». По их расчетам, такая вероятность составляет всего лишь порядка процента (может быть, двух-трех), ведь «Кеплер» проработал по основной программе слишком недолго, чтобы уверенно выделять слабый сигнал от далеких земель. Поэтому далеких земель гораздо больше, чем подразумевал автор, и ближайшая находится всего в 15–17 световых годах от нас. Другие авторы подтвердили эту оценку и даже чуть подвинули ее в сторону большего оптимизма.

Но где именно находится эта планета? Все звезды типа Солнца на таком расстоянии прекрасно видны невооруженным глазом и давно поименованы. У которой из них есть планета, пригодная для земной жизни? Сможем ли мы найти ее в обозримое время?

«Вот, двигаясь по световому лучу…»

Напомним, что большая часть экзопланет была обнаружена двумя способами: методом радиальной (лучевой) скорости и методом транзитов. Первый метод — он и исторически был первым, так как первые планеты были открыты с его помощью. В этом случае исследователи ищут слабые периодические колебания скорости звезды по лучу зрения: если вокруг звезды вращается планета, звезда тоже вращается вокруг общего с планетой центра тяжести. Поэтому скорость звезды, измеряемая по доплеровскому смещению спектральных линий, модулируется вращением планеты.

Когда в 1995 году открыли первую экзопланету у звезды типа Солнца, чувствительность метода была чуть лучше десяти метров в секунду. Со временем она была доведена до метра в секунду, даже чуть лучше. Юпитер наводит на Солнце движение со скоростью 10 м/с, что легко измеряется. Земля — всего 10 сантиметров в секунду, что выглядит безнадежным для ее обнаружения этим методом.

Второй метод более чувствителен, но очень избирателен. Он работает, если повезет: плоскость орбиты планеты должна проходить через луч зрения между наблюдателем и звездой. Тогда планета для нашего наблюдателя будет пересекать диск звезды, немного затмевая ее. В этом случае она называется транзитной.

Соответствующая вероятность для Земли с точки зрения удаленного наблюдателя — 1/200. Если планета ближе к звезде, то вероятность больше: она равна отношению радиуса звезды к радиусу орбиты. Зато если повезло, и планета транзитная, то она видна с огромных расстояний (до двух тысяч световых лет), даже если она не больше Земли. Земля затмевает Солнце для далекого наблюдателя всего лишь на одну десятитысячную, но это прекрасно измеряется, если дождаться нескольких таких затмений. Более того, есть надежда обнаружить атмосферы у многих транзитных планет.

Но напомним, что метод транзитов работает лишь очень избирательно. Ближайшей системой, которую исследователям повезло обнаружить, была TRAPPIST-1 (см. [2]), красный карлик в 40 световых годах. Рядом с ней обнаружено сразу 7 планет земного типа, из которых три находятся в зоне обитаемости. Увы, красный карлик — совсем не ласковая для жизни звезда (см. [2]). Но открытие всё равно радует, суля много планет, хороших и разных, в ближайшей окрестности. Если уж речь зашла о красных карликах, то для них метод лучевой скорости может выявить и небольшие планеты в зоне обитаемости. Во-первых, в этом случае звезда легче, во-вторых, зона обитаемости гораздо уже, ведь планета движется быстрее. И этот метод сработал для ближайшей звезды — Проксимы Центавра. В 2016 году у нее обнаружили планету с массой, близкой к массе Земли, которая получает примерно столько же тепла, как и Земля.

Увы, Проксима Центавра — тот же красный карлик, причем очень активный: его рентгеновские вспышки регистрируются орбитальными обсерваториями. В данном случае лучевые колебания скорости звезды — ±1,7 м/с, во много раз больше, чем для земле-подобной планеты в зоне обитаемости солнечноподобной звезды. Увы, перспективы жизни на такой планете весьма призрачны.

Вскоре нашли еще одну близкую землеподобную планету у красного карлика Ross 129 за 11 световых лет от нас. В этом случае звезда спокойней в плане вспышек, но у красного карлика есть и другие зловредные свойства.

Вполне естественно, что ближайшие находки по части экзопланет будут связаны с красными карликами. Помимо того что их планеты легче наблюдать, красных карликов на порядок больше, чем звезд класса Солнца. Сложилось впечатление, что в ближайшее время коллекция близких и скорее всего бесплодных экзопланет у красных карликов пополнится и найдутся перспективные планеты где-нибудь под сотню световых лет от нас. А близкие земли, пригодные для обитания, останутся неведомыми до наступления неопределенных лучших времен, когда люди научатся делать и смогут финансировать космические интерферометры.

bfrDlPLFq3A[1]

Рис 1. Лучевые скорости звезды, приведенные к фазам каждого периода. Данные показаны маленькими серыми точками, усредненные значения — жирными

Тем временем метод лучевой скорости не стоял на месте. Во-первых, было до предела усовершенствовано оборудование. Один из лучших инструментов, уже давно достигший точности 1 м/с, HARPS (High Accuracy Radial Velocity Planet Searcher), много лет используется в Южной европейской обсерватории (ESO). Спектрометр работает с 2002 года, и всё, что он измеряет, ложится в архив.

Поиск экзопланет уже давно, по большей части, превратился в архивные раскопки. Так, несколько лет назад группа английских и американских исследователей начали атаку на ближайшую к нам одиночную звезду типа Солнца, воспетую Высоцким и ставшую культурным мемом, — Тау Кита. Она чуть поменьше Солнца (0,7 по массе и 0,5 по светимости), чуть старше (5,8 млрд лет, но и жить будет дольше) и спокойней. Планет-гигантов у Тау Кита нет, по крайней мере на орбитах с не слишком большим периодом обращения.

Команда использовала архивные данные HARPS с 2002 по 2013 год — всё это время проводились регулярные наблюдения Тау Кита. За эти годы снято 9000 спектров. Были архивированы не исходные спектры, а результаты их обработки, содержащие значения лучевой скорости, вычисленные по разным интервалам спектра, а также разнообразная дополнительная информация. Как уже сказано, точность метода — около метра в секунду, но это если действовать «в лоб». На самом деле точность ограничивает не спектрометр, а «шум» звезды — ее бурление, вращение, вспышки и тому подобное.

Главное, что удалось сделать исследователям, — хорошо изучить этот шум по архивным данным и создать «модель фона» (в двух вариантах), которая позволяет, по утверждению авторов, достичь точности 20 см/с. Это уже близко к заветным 10 см/с, когда косяком пойдут настоящие земли. Впрочем, и на уровне 20 см/с может найтись немало «обитабельных планет», а система Тау Кита — как раз такой случай.

Первые обнадеживающие результаты по Тау Кита были получены еще в 2013 году [3]. Тогда в архивных данных нашли указание на 5 планет с массами больше земной, но не настолько большими, чтобы выскочить за пределы класса земель. Их периоды обращения, согласно первым результатам, — 14, 35, 94, 168 и 642 дня. Массы были определены плохо, точно можно было сказать лишь то, что все кандидаты в планеты заметно тяжелей Земли.

С тех пор команда выросла, методы обработки данных усовершенствованы, и в прошлом году были опубликованы новые результаты работы исследователей [4]. Существование планет с периодами 14, 35 и 94 дня не подтвердилось. Зато существование планет с периодами 168 и 642 дня подтвердилось на более высоком уровне достоверности (периоды немного сдвинулись).

Найдены планеты с новыми периодами в 20 и 49 дней, и тоже с хорошей достоверностью. Массы планет определены гораздо лучше. Правда, командой измеряется не масса, а комбинация M sin (i), где i — угол между осью орбиты и лучом зрения, то есть минимальная масса. Значения минимальных масс обнаруженных планет таковы: 1,7; 1,8; 3,9; 3,9 земной массы. Ошибки колеблются в пределах от 0,3 до 1,3 массы Земли.

Можно ли считать эти результаты абсолютно надежными и окончательными? Статистическая значимость вышеперечисленных периодов высокая, но в спектре мощности кривой блеска Тау Кита видны и другие значимые пики. Это в первую очередь связано с так называемой проблемой «алиасинга» — из-за дискретности наблюдений возникают артефакты, имитирующие периодический сигнал. Например, есть еще пик на 1000 днях, который авторы статьи считают алиасингом 640-дневного пика. В общем, работа исследователей должна быть продолжена, причем с новыми данными, но надежда, что существование описанных выше планет подтвердится, достаточно высока.

«На Тау Ките условья не те?»

Тау Кита

Рис.2. Сравнительная схема систем Тау Кита и Солнечной. Зеленым тоном показаны зоны обитаемости (весьма условные)

На рисунке изображены планетные системы Тау Кита и Солнца по отношению к зоне обитаемости звезд. Зона обитаемости, конечно, понятие условное — климат на планете сильно зависит от ее атмосферы. В цитируемой работе обсуждение «обитабельности» планет сведено к минимуму. Планета e получает примерно столько же тепла, сколько Венера (которая, возможно, годилась для обитания, пока не произошла парниковая катастрофа).

В свою очередь, планета f — столько же, сколько Марс (который, вероятно, был пригоден для жизни, пока не потерял почти всю атмосферу). Между ними напрашивается еще одна меньшей массы — тогда это была бы Земля собственной персоной. Стоит ли заключать пари? Не знаю, но в любом случае ждать ответа придется долго.

С наибольшей вероятностью для жизни подходит планета f. Столь тяжелая планета должна обладать достаточно толстой атмосферой с парниковым эффектом, который способен сделать ее более гостеприимной, чем ранний Марс, на котором текли реки, впадающие в моря.

Но и у Тау Кита есть отягчающее обстоятельство, хотя и не столь фатальное, как у красных карликов. Измерения, сделанные субмиллиметровым интерферометром ALMA, показали, что вокруг звезды довольно много пыли — пылевой пояс распростерся от примерно 10–20 до 60–70 астрономических единиц. Пыли там на порядок больше, чем в Солнечной системе. Сама по себе пыль безвредна, но где она, там и астероиды, которых получается тоже существенно больше, чем у нас. Это чем-то похоже на наш пояс Койпера, только более плотный и подходящий ближе к звезде.

В этом случае планеты будут сильней бомбардироваться, а тамошние динозавры — часто вымирать. Но здесь опять важны неизвестные обстоятельства. Какова «энтропия» тамошнего пояса Койпера? Иными словами — насколько он динамически релаксирован, насколько вытянуты орбиты и каков разброс наклонений из орбит? Наверняка на эту тему уже есть или скоро появятся оценки.

Автор Борис Штерн, вед. науч. сотр. Института ядерных исследований РАН, главред ТрВ-Наука

P. S. Песню Высоцкого, строки из которой использованы в качестве заголовков, можно послушать здесь.
1. arxiv.org/abs/1311.6806

2. Штерн Б. Е. Надежда… на экзопланетную жизнь // ТрВ-Наука, № 223 от 28 февраля 2017 года

3. Tuomi M., Jones H. R. A., Jenkins J. S., et al. 2013 // A&A, 551, A79.

4. Feng F., Tuomi M., Jones H. R. A., Barnes J. , Anglada-Escudé G., Vogt S. S., and Butler R. P. // The Astronomical Journal. Volume 154, Number 4. 05.09.2017.


Источник

Добавить комментарий