Як телескопи нового покоління допоможуть нам полювати на екзопланети

За останні роки ми виявили дивовижну кількість планет за межами нашої Сонячної системи. Окрім тих, що є потенційно придатний для проживання, ми також знайшли такі екзопланети гарячіша за зірки, мати залізний дощ і жовте небо, і які мають щільність солодкої вати. Але ми все ще ледь подряпали поверхню того, що там є.

Наступне покоління місій полювання на планети піде ще далі, ідентифікуючи екзопланети та визначаючи їхню придатність для проживання навіть на відстані тисяч світлових років. Щоб дізнатися більше про те, як ви полюєте на голку планети в стозі сіна нашої галактики, ми поспілкувалися з трьома експертами, які працюють над передовими проектами екзопланет.

Вибух екзопланет

Перші екзопланети були відкриті в 1992 році, і менш ніж за три десятиліття кількість відомих планет за межами нашої Сонячної системи різко зросла. НАСА оцінки що кількість відомих екзопланет приблизно подвоюється кожні 27 місяців.

Відкриття екзопланет почалося за допомогою наземних телескопів, як-от знамените відкриття екзопланети 51 Peg b у 1995 році, за яке два швейцарські астрономи отримали Нобелівську премію. Але полювання за екзопланетами по-справжньому розгорнулося з появою космічних телескопів для полювання на планети, таких як NASA. Кеплер і ТЕСС місії.

Тепер нові місії NASA та ESA (Європейського космічного агентства) ідентифікують і досліджують віддалені екзопланети більш детально, ніж будь-коли раніше.

Пошук екзопланет у нашій галактиці

PLATO — це космічний телескоп наступного покоління ESA для пошуку планет, який зараз будується з метою запуску в 2026 році. Місія буде зосереджена на яскравих зірках, які знаходяться відносно близько до нас у галактиці, як правило, в області від 300 до 1000 світлових років, дивлячись на кожну область принаймні два роки.

Місія шукатиме придатні для життя світи за допомогою транзитного методу, за допомогою якого дослідники вимірюють яскравість далекої зірки. Якщо яскравість зірки падає через рівні проміжки часу, це означає, що між ними проходить планета нас і зірки, блокуючи частину світла, випромінюваного зіркою, і викликаючи занурення яскравість. Точне вимірювання цього падіння дозволяє таким інструментам, як PLATO, дуже точно обчислити розмір планети.

Дворічний період спостереження дозволяє вченим шукати планети з довшим періодом. Тож у той час як така місія, як Kepler, протягом тривалого періоду часу розглядала невелику ділянку неба, а TESS дивиться на великі регіони для неба на короткий проміжок часу, PLATO буде дивитися як на великий регіон, так і надовго час.

Нам знадобляться інструменти з довшим періодом спостереження, ніж попередні місії, щоб помітити планети, подібні до нашої, пояснила в інтерв’ю Digital Trends Ана Герас, науковий співробітник проекту PLATO. «Ми хочемо виявляти планети, схожі на Землю, і це означає, що якщо ви хочете побачити планету, схожу на Землю жила зона, він матиме орбітальний період в один рік», – сказала вона. «Тож ми повинні спостерігати принаймні два роки, тому що ми хочемо побачити принаймні два транзити».

Сучасні моделі припускають, що спостереження за двома транзитами даної зірки повинно надати достатньо даних для ідентифікації та певної міри характеризують екзопланету, але існує ймовірність того, що PLATO може спостерігати ту саму область протягом трьох або навіть чотирьох років, якщо необхідно.

На додаток до цих планет, схожих на Землю, PLATO також розглядатиме холодніші червоні карликові зірки, які потенційно можуть мати придатні для життя екзопланети, що обертаються навколо них. Високоточний фотометр телескопа також може вимірювати інформацію про коливання зірок, які спостерігаються, що може розповісти вченим про їх внутрішню структуру та вік. «Це дозволить нам у фантастичний спосіб поглибити розуміння еволюції зірок і загальні знання про фізику зірок», — сказав Герас.

Однією з найбільш захоплюючих можливостей PLATO є те, що він настільки точний, що він навіть може виявити супутники, що обертаються навколо екзопланет, які називаються екзомісяцями. Цілком зрозуміло, що супутники існують за межами нашої Сонячної системи, але поточні методи ще остаточно не підтвердили його виявлення.

Можливість того, що ПЛАТОН зможе знайти такий супутник, відкриває можливість пошуку різних типів придатного для життя середовища — не лише планет, схожих на Землю, але й супутників, подібних до таких, як Супутник Сатурна Енцелад яке є одним із найперспективніших потенційно придатних для життя місць поза Землею в нашій Сонячній системі.

Скільки планет у нашій галактиці?

Наразі ми виявили приблизно 4200 екзопланет, і майже щомісяця оголошується більше. Але залишається відкритим питання про те, скільки саме планет у нашій галактиці. Використання таких методів, як метод транзиту, дозволяє виявити планети лише в певних конфігураціях — особливо ті, які розташовані близько орбіти до своїх зірок, тож нам потрібен загальний огляд галактики, щоб отримати краще уявлення про те, скільки планет там у всього.

Ось що планує NASA Римський космічний телескоп Ненсі Грейс, або просто Роман, прагне виявити. Телескоп зараз будується, і коли його запустять наприкінці 2025 або на початку 2026 року, він почне дослідження нічного неба під назвою Римське дослідження галактичних екзопланет (RGES).

Метою цього опитування є не відкриття чи дослідження екзопланет як таких, а скоріше отримання інформації загальне уявлення про те, скільки зірок у нашій галактиці містить планетарні системи та як ці системи бувають поширюється.

Виявлення планет за викривленням світла

Для проведення огляду неба Роман використовуватиме техніку під назвою мікролінзування, яка може вибирати екзопланети, але в основному повідомляє вченим про зірки, навколо яких обертаються планети.

«Мікролінзи є унікальними в багатьох відношеннях», — сказав головний дослідник RGES Скотт Гауді в інтерв’ю Digital Trends. Він заснований на процесі під назвою гравітаційне лінзування, яке використовується для виявлення зірок. «Це працює так: якщо ви дивитеся на зірку досить довго (приблизно 500 000 років), то випадково інша зірка на передньому плані піднесіть цю фонову зірку достатньо близько до вашої лінії зору, щоб розділити світло цієї фонової зірки на два зображення», — сказав він. пояснив.

«Зірка-джерело фону стає яскравішою, коли зірка переднього плану стає перед нею, тому що гравітація зірки переднього плану згинає світлові промені, які відійшли б з прямої видимості». Це означає, що якщо вчені спостерігають, як фонова зірка стає яскравішою, а потім тьмянішою, вони можуть зробити висновок, що інша зірка пройшла між нею та нас.

Ця техніка може бути вдосконалена для виявлення екзопланет. «Якщо ця зірка на передньому плані має планету, то ця планета має масу, а це означає, що вона також може гравітаційно об’єктивувати цю зірку», — сказав Гауді. «Отже, якщо одне з цих двох зображень фонової зірки, створене головною зіркою на передньому плані, випадково проходить поблизу планети, це спричинить короткий додаткове освітлення або затемнення, яке триває від кількох годин, у випадку планети з масою Землі, до кількох днів, у випадку з масою Юпітера планета».

Проблема в тому, що ці події, під час яких планети й зірки вибудовуються саме так, є рідкісними й непередбачуваними. Тому, щоб їх зафіксувати, астрономам потрібно спостерігати за величезною кількістю зірок. «Ви отримуєте одну подію лінзування на зірку за 500 000 років, тому чекати доведеться довго», — сказав Гауді. «Тож натомість ми спостерігаємо приблизно за 100 мільйонами зірок у галактичній опуклості [щільно розташованій області зірок у центрі нашої галактики], і в будь-який момент багато тисяч об’єктивів».

Роман особливо підійде для такого типу дослідження, оскільки він має дуже велике поле зору, що дозволяє спостерігати великий шматок галактичного балджа. Він також може спостерігати за цими мільйонами зірок протягом 15 хвилин, дозволяючи дослідникам фіксувати ці події лінзування, коли вони відбуваються.

Додаткові місії

Основні дані, які ми маємо на даний момент про те, скільки екзопланет може існувати в нашій галактиці, отримані від космічного телескопа Кеплера, який уже припинив роботу. який досліджував небо між 2009 і 2018 роками, вимірюючи яскравість приблизно 150 000 зірок для пошуку екзопланет за допомогою транзиту метод.

Ця місія заклала основу для сучасних досліджень екзопланет. Однак завдяки використаному Кеплером методу все ще є багато екзопланет, які він міг пропустити. Римський проект має на меті розширити та доповнити цю роботу за допомогою іншого методу.

«Огляд RGES важливий, тому що він буде доповнювати Кеплер», — пояснив Гауді. «Метод мікролінзування за своєю суттю чутливий до планет, які знаходяться далі, тому планети з орбітами приблизно більшими, ніж орбіти Земля». Якби цей метод використовувався далекими інопланетянами для спостереження за нашою Сонячною системою, наприклад, він міг би виявити всі планети, крім Меркурій.

«Тоді як Кеплер був ледве чутливим до планет із земною масою. Тому нам справді потрібно провести опитування RGES, щоб провести цей статистичний перепис екзопланет у галактиці», — сказав Гауді.

Мікролінзи також не залежать від яскравого світла зірок, які спостерігаються, тому дозволяють вченим спостерігати за системами, які знаходяться як поблизу нас, так і так далеко, як центр галактики. Роман дозволить дослідникам отримати статистичне розуміння того, як планетарні системи розподілені по всій нашій галактиці, Гауді сказав: «Тож ми можемо фактично визначити галактичний розподіл екзопланетних систем, що в принципі неможливо з будь-якими іншими техніка».

Характеристика екзопланет за допомогою транзитів

Телескопи PLATO і Roman будуть безцінні для відкриття нових екзопланет і оцінки загальної кількості екзопланет у нашій галактиці. Але коли ми дізнаємося, скільки планет і де вони розташовані, нам знадобляться нові інструменти, щоб дізнатися більше про ці планети — досліджуючи такі характеристики, як їх маса, розмір і вік. Ця інформація може допомогти нам побачити, які там планети, чи є вони газовими гігантами, як Юпітер чи Сатурн, чи скелястими світами, як Земля та Марс.

Нещодавно запущено ESA новий космічний телескоп CHEOPS (CHaracterising ExOPlanets Satellite), який досліджує екзопланети з орбіти. Проект CHEOPS, ймовірно, знайде кілька нових екзопланет під час свого перебування, але його основна мета полягає в більш детальному дослідженні екзопланет, знайдених іншими дослідженнями, з використанням транзитного методу.

«Ми, по суті, є наступною місією», — пояснила в інтерв’ю Digital Trends Кейт Ісаак, науковий співробітник проекту CHEOPS. «Ми намагаємося визначити розміри, серед іншого, відомих екзопланет».

Це означає, що вчені цього проекту мають перевагу у своїх спостереженнях, оскільки вони вже мають необхідну інформацію про те, коли відбудеться транзит. Вони можуть навести інструмент на цільову планету саме в потрібний момент, коли вона проходить, щоб отримати інформацію про неї.

CHEOPS був запущений лише кілька місяців тому, але він уже виявив нову інформацію про планета KELT-11 b, виявивши, що ця дивна планета має настільки низьку щільність, що вона «плаватиме на воді у досить великому басейні», згідно із заявою дослідників.

У пошуках Землі 2

Виявлення та вивчення екзопланет — це не лише пошук дивних світів, подібних до КЕЛЬТ-9 b або AU Мікрофон b хоча. Це також найбільше питання: чи існує життя за межами Землі. Зараз астрономи починають досліджувати питання не лише про те, де знаходяться планети, а й про те, чи можуть вони бути придатними для життя. Згодом вони можуть допомогти визначити, чи справді на цих далеких планетах є життя.

«Одним із святих граалів науки про екзопланети є пошуки життя», — сказав Ісаак. «Одна з речей, яку люди шукають, це планета, схожа на Землю. Земля-2, можна сказати». Для цього потрібно шукати кам’янисту планету в зоні проживання зірки — відстані від зірки, на якій на поверхні планети може існувати рідка вода. Майбутні місії, такі як майбутній космічний телескоп Джеймса Вебба, зможуть навіть досліджувати, чи є атмосфера на далеких екзопланетах.

Герас, науковець проекту PLATO, погодився з важливістю пошуку придатності для проживання. «Дослідження можливо населених екзопланет — це справді наступний крок, щоб зрозуміти не лише те, як еволюціонували планети, а й, можливо, як з’явилося життя», — сказала вона. «Після всього, що ми дізналися про екзопланети, наступним кроком буде дізнатися більше про розвиток життя та про те, як життя виникло».

Також залишається відкритим питання про те, чи існують інші сонячні системи, подібні до нашої. «Ми також хотіли б знати, наскільки унікальною є наша планета», — сказав Герас. Вона пояснила, що навіть незважаючи на тисячі відкритих екзопланет, дуже мало з них знаходяться в зоні проживання своїх зірок. «Тож ми ще не знаємо, наскільки унікальною є наша Сонячна система і наскільки унікальна Земля».

Остаточне питання

Цей зв’язок між відкриттям екзопланет і пошуком життя спонукає як науковців, які працюють над цими проектами, так і громадський апетит до вивчення далеких світів. Неможливо слухати про дивні екзопланети і не уявити, як це було б жити в цих дивних місцях.

«Екзопланети захоплюють, якщо нічого іншого, тому що їх легко зрозуміти», — сказав Ісаак. «Ми живемо на планеті. Питання про те, чи ми самотні, є глибоким — філософським, фізичним, психологічним — це захоплююче питання, яке ми можемо легко зрозуміти. Пошук і вивчення екзопланет — це кроки до питання, чи ми самотні… З CHEOPS ми не знайдемо життя. Ми не закінчуватимемо місію, кажучи, що виявили маленьких зелених чоловічків на планеті X. Але ми зробимо внесок у процес, за допомогою якого ви зможете зробити це в довгостроковій перспективі».

Навіть якщо пошуки життя нічого не приведуть, це все одно буде глибоким відкриттям. І сам пошук може підштовхнути наукове дослідження та глибоке споглядання нашого місця у Всесвіті.

«Я думаю, що ми всі шукаємо сенс», — сказав Гауді. «Якби ми могли якимось чином мати уявлення про те, чи виникло життя, навіть просте життя, на іншій планеті незалежно від життя на Землі… або якщо ні, і ми космічно самотні — будь-який з них мав би дуже глибокий вплив на наше уявлення про себе та своє місце в Всесвіт. Саме це значення спонукає мене особисто вивчати пошук придатності для проживання та, можливо, життя».