Как телескопы следующего поколения помогут нам в охоте за экзопланетами

В последние годы мы обнаружили удивительное множество планет за пределами нашей Солнечной системы. Помимо тех, что есть потенциально обитаемый, мы также нашли экзопланеты, которые жарче, чем звезды, иметь железный дождь и желтое небо, и которые имеют плотность сладкой ваты. Но мы еще едва коснулись поверхности того, что там есть.

Следующее поколение миссий по поиску планет пойдет еще дальше, идентифицируя экзопланеты и определяя их обитаемость даже на расстоянии тысяч световых лет. Чтобы узнать больше о том, как вы ищете иголку планеты в стоге сена нашей галактики, мы поговорили с тремя экспертами, работающими над передовыми проектами экзопланет.

Взрыв экзопланет

Первые экзопланеты были открыты в 1992 году, и менее чем за три десятилетия число известных планет за пределами нашей Солнечной системы резко возросло. НАСА оценки что число известных экзопланет удваивается примерно каждые 27 месяцев.

Открытие экзопланет началось с использованием наземных телескопов, как, например, знаменитое открытие экзопланеты 51 Peg b в 1995 году, за которое два швейцарских астронома получили Нобелевскую премию. Но охота за экзопланетами по-настоящему активизировалась с появлением космических телескопов, охотящихся за планетами, таких как телескоп НАСА. Кеплер и Тэсс миссии.

Теперь новые миссии НАСА и ЕКА (Европейского космического агентства) идентифицируют и исследуют далекие экзопланеты более детально, чем когда-либо прежде.

Находим экзопланеты в нашей галактике

PLATO — это космический телескоп ЕКА нового поколения для поиска планет, и в настоящее время он строится с целью запуска в 2026 году. Миссия сосредоточится на ярких звездах, которые находятся относительно недалеко от нас в галактике. обычно на расстоянии от 300 до 1000 световых лет, рассматривая каждую область как минимум два года.

Миссия будет искать обитаемые миры, используя транзитный метод, при котором исследователи измеряют яркость далекой звезды. Если яркость звезды падает через равные промежутки времени, это означает, что планета проходит между нас и звезду, блокируя часть света, испускаемого звездой, и вызывая падение яркость. Точное измерение этого наклона позволяет таким инструментам, как PLATO, очень точно рассчитать размер планеты.

Двухлетний период наблюдений позволяет ученым искать планеты с более длинным периодом. Таким образом, в то время как такие миссии, как «Кеплер», изучали небольшой участок неба в течение длительного периода времени, а TESS смотрит на большие области неба за короткий промежуток времени, ПЛАТО будет смотреть как на большую область, так и на длительный период время.

Нам понадобятся инструменты с более длительным периодом наблюдения, чем у предыдущих миссий, чтобы обнаружить такие планеты, как наша, объяснила в интервью Digital Trends Ана Герас, научный сотрудник проекта PLATO. «Мы хотим обнаружить планеты, похожие на Землю, а это значит, что если вы хотите увидеть планету, похожую на Землю, в обитаемая зона, его орбитальный период составит один год», — сказала она. «Поэтому мы должны наблюдать как минимум два года, потому что мы хотим увидеть как минимум два транзита».

Современные модели предполагают, что наблюдение двух прохождений данной звезды должно предоставить достаточно данных для идентификации и, в некоторой степени, охарактеризовать экзопланету, но существует вероятность, что PLATO может наблюдать одну и ту же область в течение трех или даже четырех лет, если необходимый.

В дополнение к этим планетам, похожим на Землю, PLATO также будет изучать более холодные звезды-красные карлики, которые потенциально могут иметь обитаемые экзопланеты, вращающиеся вокруг них. Высокоточный фотометр телескопа также может измерять информацию о колебаниях наблюдаемых звезд, что может рассказать ученым об их внутренней структуре и возрасте. «Это позволит нам фантастическим образом продвинуться в понимании звездной эволюции и общих знаниях о звездной физике», — сказал Герас.

Одна из самых захватывающих возможностей PLATO заключается в том, что он настолько точен, что может даже обнаруживать спутники, вращающиеся вокруг экзопланет, называемые экзолунами. Само собой разумеется, что спутники существуют за пределами нашей Солнечной системы, но современные методы еще не окончательно подтвердили их обнаружение.

Шанс на то, что ПЛАТО сможет найти такую ​​луну, открывает возможность поиска различных типов обитаемой среды — не только планет земного типа, но и спутников, подобных тем, что Спутник Сатурна Энцелад Это одно из наиболее многообещающих потенциально обитаемых мест за пределами Земли в нашей солнечной системе.

Сколько планет в нашей галактике?

На данный момент мы обнаружили около 4200 экзопланет, и практически каждый месяц объявляется о новых. Но остается открытым вопрос о том, сколько именно планет в нашей галактике. Использование таких методов, как метод транзита, выявляет планеты только в определенных конфигурациях, особенно те, которые находятся близко друг от друга. вращается вокруг своих звезд, поэтому нам нужен общий вид галактики, чтобы получить лучшее представление о том, сколько планет находится в ней. общий.

Вот что ждет НАСА в будущем Римский космический телескоп Нэнси Грейс, или просто Роман, стремится открывать. Телескоп в настоящее время строится, и как только он будет запущен в конце 2025 или начале 2026 года, он начнет исследование ночного неба под названием «Римское галактическое исследование экзопланет» (RGES).

Целью этого обзора является не открытие или исследование экзопланет как таковых, а, скорее, получение общее представление о том, сколько звезд в нашей галактике содержит планетные системы и как эти системы устроены. распределено.

Обнаружение планет путем отклонения света

Для исследования неба Роман будет использовать технику, называемую микролинзированием, которая позволяет обнаруживать экзопланеты, но в основном сообщает ученым о звездах, вокруг которых вращаются планеты.

«Микролинзирование во многих отношениях уникально», — сказал в интервью Digital Trends главный исследователь RGES Скотт Гауди. Он основан на процессе, называемом гравитационным линзированием, который используется для обнаружения звезд. «Это работает так: если вы смотрите на звезду достаточно долго (около 500 000 лет), то совершенно случайно другая звезда на переднем плане поднимите фоновую звезду достаточно близко к вашему лучу зрения, чтобы разделить свет этой фоновой звезды на два изображения», — сказал он. объяснил.

«Звезда-источник на заднем плане становится ярче, когда звезда на переднем плане приближается к ней, потому что гравитация звезды на переднем плане отклоняет лучи света, которые должны были бы уходить. с прямой видимости». Это означает, что если ученые наблюдают, как фоновая звезда становится ярче, а затем тускнеет, они могут сделать вывод, что между ней и нас.

Этот метод может быть усовершенствован для обнаружения экзопланет. «Если у звезды на переднем плане есть планета, то эта планета имеет массу, а это значит, что она также может гравитационно линзировать и эту звезду», — сказал Гауди. «Поэтому, если одно из этих двух изображений фоновой звезды, созданное родительской звездой на переднем плане, пройдет близко к планете, это вызовет кратковременное дополнительное просветление или затемнение, которое длится от нескольких часов, в случае планеты массы Земли, до нескольких дней, в случае планеты массы Юпитера. планета».

Проблема в том, что эти события, в которых планеты и звезды выстраиваются именно таким образом, редки и непредсказуемы. Поэтому, чтобы их запечатлеть, астрономам необходимо наблюдать за огромным количеством звезд. «Вы получаете одно событие линзирования на звезду за 500 000 лет, так что ждать придется долго», — сказал Гауди. «Поэтому вместо этого мы наблюдаем примерно за 100 миллионами звезд в галактической выпуклости (плотно заполненной звездами области в центре нашей галактики), и в любой момент времени многие тысячи подвергаются линзированию».

«Роман» особенно подходит для такого типа исследований, поскольку он имеет очень большое поле зрения, что позволяет ему наблюдать большую часть галактического выступа. Он также может отслеживать эти миллионы звезд в течение 15 минут, что позволяет исследователям фиксировать события линзирования по мере их возникновения.

Дополнительные миссии

Первичные данные о том, сколько экзопланет может существовать в нашей галактике, которые мы имеем на данный момент, получены от ныне вышедшего на пенсию космического телескопа «Кеплер». которая обследовала небо в период с 2009 по 2018 год, измеряя яркость около 150 000 звезд для поиска экзопланет с помощью транзита метод.

Эта миссия заложила основу для современных исследований экзопланет. Однако из-за метода, использованного Кеплером, существует еще много экзопланет, которые он мог пропустить. Римский проект стремится расширить и дополнить эту работу, используя другой метод.

«Обследование RGES важно, потому что оно будет дополнять исследование Кеплера», — объяснил Гауди. «Метод микролинзирования по своей природе чувствителен к планетам, которые находятся дальше, поэтому планеты с орбитами примерно больше, чем у Земля." Если бы этот метод использовался далекими инопланетянами для наблюдения за нашей Солнечной системой, например, он смог бы обнаружить все планеты, кроме Меркурий.

«В то время как Кеплер был едва чувствителен к планетам земной массы. Поэтому нам действительно необходимо провести исследование RGES, чтобы провести статистическую перепись экзопланет в галактике», — сказал Гауди.

Микролинзирование также не зависит от яркого света наблюдаемых звезд, поэтому оно позволяет ученым наблюдать системы, которые находятся как близко к нам, так и так далеко, как центр галактики. Роман позволит исследователям получить статистическое понимание того, как планетные системы распределены по всей нашей галактике, Гауди сказал: «Таким образом, мы действительно можем определить галактическое распределение экзопланетных систем, что в принципе невозможно с помощью каких-либо других техника."

Характеристика экзопланет с помощью транзитов

Телескопы PLATO и Roman будут иметь неоценимое значение для открытия новых экзопланет и оценки общего количества экзопланет в нашей галактике. Но как только мы узнаем, сколько существует планет и где они расположены, нам понадобятся новые инструменты, чтобы узнать больше об этих планетах — исследовать такие характеристики, как их масса, размер и возраст. Эта информация может помочь нам увидеть, какие планеты существуют, будь то газовые гиганты, такие как Юпитер или Сатурн, или скалистые миры, такие как Земля и Марс.

ЕКА недавно запустило новый космический телескоп под названием CHEOPS (CHaracterising ExOPlanets Satellite), который исследует экзопланеты с орбиты. Проект CHEOPS, вероятно, обнаружит несколько новых экзопланет за время своего существования, но его основная цель — более детально исследовать экзопланеты, обнаруженные другими исследованиями, с использованием метода транзита.

«По сути, мы являемся последующей миссией», — объяснила в интервью Digital Trends Кейт Исаак, научный сотрудник проекта CHEOPS. «Мы пытаемся выяснить размеры, среди прочего, известных экзопланет».

Это означает, что ученые, участвующие в этом проекте, имеют преимущество в своих наблюдениях, поскольку у них уже есть необходимая информация о том, когда произойдет транзит. Они могут направить инструмент на целевую планету в нужный момент во время ее прохождения, чтобы получить информацию о ней.

CHEOPS был запущен всего несколько месяцев назад, но уже обнаружил новую информацию о планета КЕЛТ-11 б, обнаружив, что эта причудливая планета имеет настолько низкую плотность, что, согласно заявлению исследователей, она «плавает на воде в достаточно большом бассейне».

В поисках Земли 2

Обнаружение и изучение экзопланет – это не просто поиск странных миров, подобных КЭЛТ-9 б или AU микрофон б хотя. Речь также идет о самом важном вопросе: существует ли жизнь за пределами Земли. Работа, проводимая сейчас астрономами, начинает исследовать вопросы не только о том, где находятся планеты, но и о том, могут ли они быть обитаемы. В конце концов, они могли бы помочь определить, действительно ли на этих далеких планетах есть жизнь.

«Один из Святых Граалей науки об экзопланетах — поиск жизни», — сказал Исаак. «Одна из вещей, которую ищут люди, — это планета, похожая на Землю. Можно сказать, Земля-2». Это предполагает поиск каменистой планеты в обитаемой зоне звезды — расстоянии от звезды, на котором жидкая вода может существовать на поверхности планеты. Будущие миссии, такие как будущий космический телескоп Джеймса Уэбба, смогут даже исследовать, есть ли атмосфера у далеких экзопланет.

Герас, учёный проекта ПЛАТО, согласился с важностью поиска обитаемости. «Изучение потенциально обитаемых экзопланет на самом деле является следующим шагом к пониманию не только того, как развиваются планеты, но, возможно, и того, как появилась жизнь», — сказала она. «После всего, что мы узнали об экзопланетах, следующим шагом будет узнать больше о развитии жизни и о том, как она зародилась».

Также остается большой открытый вопрос о том, существуют ли другие солнечные системы, похожие на нашу. «Мы также хотели бы знать, насколько уникальна наша планета», — сказал Герас. Она объяснила, что даже несмотря на тысячи открытых экзопланет, очень немногие из них находятся в обитаемой зоне своих звезд. «Поэтому мы действительно еще не знаем, насколько уникальна наша Солнечная система и насколько уникальна Земля».

Последний вопрос

Эта связь между открытием экзопланет и поиском жизни стимулирует как ученых, работающих над этими проектами, так и стремление общественности к изучению далеких миров. Невозможно слышать о причудливых экзопланетах и ​​не представлять, каково было бы жить в этих странных местах.

«Экзопланеты интересны, хотя бы потому, что их легко понять», — сказал Исаак. «Мы живем на планете. Вопрос о том, одиноки ли мы, является глубоким — философски, физически, психологически — это увлекательный вопрос, и мы можем легко его понять. Поиск и изучение экзопланет — это шаги к вопросу о том, одни ли мы… С ХЕОПСом мы не найдем жизнь. Мы не закончим миссию, заявив, что обнаружили маленьких зеленых человечков на Планете X. Но мы будем способствовать процессу, с помощью которого вы могли бы добиться этого в долгосрочной перспективе».

Даже если поиски жизни ничего не дадут, это все равно будет глубоким открытием. А сам поиск может стимулировать научные исследования и глубокие размышления о нашем месте во Вселенной.

«Я думаю, что мы все ищем смысл», — сказал Гауди. «Если бы мы могли каким-то образом иметь представление о том, возникла ли жизнь, даже простая жизнь, на другой планете независимо от жизни на Земле… а если нет, и мы космически одиноки, то любой из них окажет очень глубокое влияние на наше представление о себе и своем месте в мире. Вселенная. Именно это значение побуждает меня лично изучать поиски обитаемости и, возможно, жизни».