Можно ли сделать поиск экзопланет дешевле?

Астрономы, занимающиеся поиском планет в других звездных системах, за прошедшее десятилетие имели достаточно поводов для празднований. За это время число подтвержденных экзопланет выросло примерно с 50 до более чем 500. Хотя ни одна из этих планет и близко не напоминает Землю, недавно представленные данные по результатам работы Космического телескопа Кеплер содержат сотни кандидатов у далеких звезд, некоторые из которых действительно могут оказаться землеподобными планетами.

Медленный рост экономики, значительное сокращение фондов на космические науки и проблемы по программе создания Космического телескопа имени Джеймса Вебба привели к тому, что масштабные миссии НАСА [например, Space Interferometry Mission, Terrestrial Planet Finder] были либо отменены, либо отложены.

В ответ на это, сообщество планетных охотников разрабатывает пути максимизации научных результатов и минимизации стоимости их получения. Уполномоченная НАСА и Национальным научным фондом [США] Целевая группа по экзопланетам [Exoplanet Task Force] в 2008 году представила доклад в поддержку новой стратегии экзопланетных исследований. Вместо того чтобы ждать запуска дорогих миссий по поиску планет, доклад призывает астрономов двигаться вперед на основе дешевых наземных обзоров, главная цель – миры у ближайших звезд, которые выглядят ярче более далеких [того же класса], а потому их легче изучать. Группа надеется, что недорогие обзоры дадут открытие по крайней мере нескольких миров, которые в дальнейшем можно будет изучать с использованием средств космического базирования, в том числе Вебба. Эти средства позволят астрономам проводить спектроскопические исследования атмосфер экзопланет на наличие углекислого газа, водяного пара, метана, кислорода и следов других газов, которые могут указывать на присутствие на планете жизни. Согласно докладу 2010 года, Европейское космическое агентство [ЕКА] пришло практически к аналогичным выводам.

Вот пять идей, которые позволят сделать поиск экзопланет дешевле.

Наблюдение за транзитом планет у М – карликов ($2 миллиона)

Центральное место этой стратегии – фокусирование внимания исследователей на красных карликах спектрального класса M, расположенных недалеко от Солнечной системы. M – карлики – самый распространенный класс звезд в Млечном пути. Они значительно меньше и тусклее нашего Солнца и имеют массу менее половины массы Солнца. Поэтому планета, обращающаяся вокруг такой звезды, при прохождении по ее диску [транзите] будет блокировать большую долю света, чем планета с аналогичными размерами и параметрами орбиты у более крупной звезды, это делает обнаружение таких планет относительно более легким. Относительный размер силуэта планеты при транзите облегчит задачу выделения света прошедшего сквозь атмосферу планеты для последующего спектрального анализа.

Первый и до настоящего момента самый успешный проект по поиску потенциально обитаемых планет у M – карликов – MEarth, в нем задействован кластер из 8-ми автоматизированных телескопов в Обсерватории Уипла [Аризона]. В отличие от всех предыдущих наблюдений за транзитами, при которых телескопы были непрерывно устремлены на фиксированную богатую звездами область неба, целями MEarth стали 2000 ближайших M – карликов и лишь при обнаружении одним из телескопов кандидата на транзит к его наблюдению подключаются все остальные телескопы проекта. Проект возглавляет Дэвид Чарбоннео [David Charbonneau, Гарвард-Смитсоновский центр астрофизики] и был спроектирован Филиппом Нутцмэном [Philip Nutzman, Университет Калифорнии]. В 2009 году проект MEarth объявил об открытии своей первой планеты – GJ 1214 b, обращающейся вокруг M – карлика, находящегося на расстояние 13 парсек от Солнечной системы. Планета слишком большая и горячая, чтобы на ней могла существовать жизнь, она была обнаружена уже в первые 6-ть месяцев из предполагаемых 3-х лет работы проекта MEarth. GJ 1214 b – до сих пор остается наиболее легкой для изучения землеподобной [термин Nature] экзопланетой из обнаруженных. Спектроскопические исследования GJ 1214 b, проведенные в прошлом году Европейской южной обсерваторией, показали, что верхняя атмосфера планета либо очень затуманенная, либо состоит из водяного пара.

«MEarth показал, что на относительно небольшие деньги, $1-2 миллиона, вы можете собрать наземную установку способную найти супер-Земли, расположенные в обитаемых зонах звезд», - заявил Чарбоннео, касаясь планет крупнее Земли, чья орбита лежит на расстоянии от материнской звезды, позволяющем существование воды в жидкой форме на их поверхности.

К октябрю 2011 года Чарбоннео и его коллеги рассчитывают иметь копию [установки] MEarth в Чили, где ей будет доступна часть неба не наблюдаемая из Аризоны. Ведутся и другие проекты по поиску планет у M – карликов, например, на 0,6 – метровом телескопе TRAPPIST [Обсерватория Ла-Силла] и 1,22 – метровом телескопе Самуэля Осчина [Samuel Oschin Telescope, Паломарская обсерватория].

Спектрометры ближнего инфракрасного диапазона ($5 миллионов)

Помимо метода транзитной фотометрии, позволяющего определить радиус и период обращения планеты, существует другой метод обнаружения и исследования экзопланет, в основе которого лежит спектрометрия.

Методом измерения радиальной скорости на настоящий момент получены данные о наиболее интересных планетах. Обращающаяся вокруг звезды планета гравитационным влиянием вызывает периодические изменения положения звезды, что приводит к доплеровскому смещению линий спектра звезды. Измерение смещений спектра позволяет получить независимое подтверждение существования экзопланеты, а также оценить ее массу.

Метод дает еще один повод сфокусировать внимание на M –карликах. Движение Земли вокруг Солнца в течение года приводит к колебанию радиальной скорости около 0,1 м/с – это очень трудный для обнаружения инопланетными астрономами сигнал. Но для планеты размером с Землю, находящейся в обитаемой зоне M – карлика [намного ближе, чем 1 а.е.], изменение радиальной скорости составит 1 м/с, что много легче обнаружить. Максимум излучения M – карликов лежит в инфракрасной и ближней инфракрасной частях спектра, а значит поиск охотники за планетами должны вести тут, однако требуемые для этого инфракрасные спектрометры с необходимой точностью измерений до сих пор не построены. Таким образом, лишь горстка из огромного числа ближайших M – карликов была исследована на предмет наличия у них пригодных для жизни планет.

Хуже того, спектрометры ближнего инфракрасного диапазона, предназначенные для охоты за планетами, более дороги, чем их оптические собратья. Это связано с тем, что инфракрасные фотоны обладают недостаточным количеством энергии, чтобы просто возбудить электроны в обычных кремниевых детекторах. Таким образом, в основе применяемых для поиска экзопланет установок лежат детекторы, сделанные из дорогих экзотических материалов [например, из индий-галлиевого арсенида или ртутно-кадмиевого теллурида] и оснащенные системами криогенного охлаждения и теплоизоляции от фонового инфракрасного излучения. Самый передовой спектрометр ближнего инфракрасного диапазона – это размещенный в Европейской южной обсерватории CRIRES [Cryogenic High-resolution Infrared Echelle Spectrograph]. Создание этого аппарата обошлось в $13,6 миллиона.

Все же цены падают, в ближайшие годы могут появиться сразу несколько крупных спектрометров, в том числе проект обсерватории Калар-Альто [Испания] по поиску M – карликов с экзо-Землями германо-испанским спектрографом эшелле ближнего инфракрасного диапазона - CARMENES [Calar Alto High-resolution Search for M-dwarfs with Exo-Earths with a Near-infrared Echelle Spectrograph]; спектрополяриметр ближнего инфракрасного диапазона [SPIRou] для расположенного на Гавайских островах канадо-франко-гавайского телескопа; и проект США по поиску планет в обитаемых зонах звезд [Habitable Zone Planet Finder], который будет проведен на телескопе Хобби-Эберли, расположенном в обсерватории Мак-Дональда [Техас].

Гребенка частот лазерного излучения ($100000)

Еще одним вызовом для обнаружения планет у M – карликов является разработка более совершенных путей калибровки спектрометров. Мизерный сдвиг спектральных линий легко может быть вызван отклонениями в работе самого инструмента, имитируя этим результат аналогичный обращению планеты вокруг звезды. Очевидным решением этой проблемы является генерация эталонного спектра, с которым могли бы быть сопоставлены результаты наблюдений. При калибровке оптических обзоров радиальных скоростей, как правило, используют спектры йода или торий-аргоновых смесей, эти вещества не дают необходимых линий калибровки в инфракрасном диапазоне.

Ряд других химических элементов и смесей изучается на предмет калибровки. Но наибольший интерес вызывает сверхвысокоточная технология – гребенка частот лазерного излучения. В основе этого устройства лежит лазер, генерирующий частые импульсы с возможностью задания длины волны излучения в широком диапазоне. Задание частоты последовательных импульсов дает различные серии пиков с постоянной длиной волны, что напоминает зубья гребенки. Синхронизированные с атомными часами и проходящие через спектрометр, импульсы становиться мощным средством калибровки спектроскопических измерений.

В ряде обсерваторий уже проводится тестовое применение технологии гребня частот лазерного излучения на спектрометрах. Например, в конце 2009 года и в начале 2010 года разработанная Гарвард-Смитсоновским центром астрофизики лазерная гребенка была применена на спектрометре обсерватории Уипла для калибровки спектроскопических измерений содержащей планеты двойной звездной системы HD 189733. В середине 2010 года на спектрометре ближнего инфракрасного диапазона, установленного на телескопе Хобби-Эберли, при измерениях радиальной скорости обладающей планетной системой звезды Ипсилон Андромеды [Upsilon Andromedae] была применена гребенка, разработанная Национальным институтом стандартов и технологий США. В декабре 2010 года в Европейской южной обсерватории была применена гребенка Института квантовой оптики Макса Планка [Германия], впервые указывающие на экзопланету измерения радиальной скорости были проведены с большей точностью, чем с применением торий-аргоновой калибровки. Результаты этих исследований уже опубликованы. Ожидается, что в этом десятилетии главные обсерватории мира получат следующее поколение спектрометров, оснащенных гребенками частот лазерного излучения.

Обсерватории радиальных скоростей ($50 миллионов)

Даже вооруженные лазерными гребенками охотники за планетами могут быть обмануты самой звездой, чье движение поверхности может имитировать сигналы радиальной скорости [о наличии планеты]. «Звезда сотрясается как колокол, поверхность в миллионах мод гармонических колебаний похожа на рисунки, что образует песок на вибрирующей поверхности барабана», - заявил Стивен Фогт [Steven Vogt, Университет Калифорнии]. «Некоторые из этих мод не уравновешивают друг друга по поверхности звезды, что дает колебания, выступающие шумом для наших наблюдений».

Чтобы противостоять этому источнику шума была разработана специальная техника, которая усредняет вместе [снимки звезды], сделанные с 10-15 минутной выдержкой ночами в течение нескольких недель. По заявлению Стефана Удри [Stephane Udry, Университет Женевы], эта техника работает. «У нас была возможность опробовать ее на десяти ближайших звездах и мы обнаружили планеты у трех из них. Необходимы еще наблюдения, маловероятно, что эти звезды имеют только по одной планете. Поэтому мы должны охватить все потенциальные периоды обращения [возможного] множества планет, что займет время. Когда вы пытаетесь сделать ваши измерения более точными, они сразу становятся более дорогими».

Настолько дорого, что, по мнению Фогта, необходимо уменьшить долгосрочные затраты, потратив больше денег в краткосрочный период на строительство специализированных обсерваторий [измерения] радиальных скоростей. «Возьмите $50 миллионов, что копейки по меркам НАСА, и постройте 6-8 – метровый телескоп с достаточной светосилой, чтобы достичь большей части ближайших M – карликов, поставьте на него спектрометр и займите его только этой работой каждую ночь в году. Это даст вам россыпь планет на небе».

Фогт и его коллеги создали демонстрационный проект – Автоматизированный обнаружитель планет [APF, Automated Planet Finder] – 2,4 - метровый автоматизированный телескоп, совмещенный с высокопроизводительным спектрометром, установлен в Ликской обсерватории [Калифорния]. Согласно Фогту, APF создан специально для обнаружения скалистых планет с коротким периодом обращения у ближайших звезд, в том числе наиболее ярких M – карликов неба. Проект находится на заключительной стадии монтажа, ввод в эксплуатацию назначен на конец февраля. Фогт ожидает, что проект сразу откроет группу небольших скалистых миров.

Малобюджетные целевые космические телескопы ($250000)

Астрономы уже проводят мозговой штурм по приемнику миссии Кеплер, который должен будет заняться обзором транзитов ближайших звезд в поисках миров пригодных для жизни. Вместе с тем, Сарой Сигер [Sara Seager, Массачусетский технологический институт] предложена много более дешевая программа, которая состоит в создании на базе уже существующей платформы CubeSats [куб размером 10*10*10 см] малых космических телескопов. Согласно концепции, десятки аппаратов будут выведены при запусках более крупных спутников, что снизит стоимость их выведения. Каждый космический телескоп системы будет направлен на свою звезду. За пределами земной атмосферы эти маленькие аппараты смогут обнаружить транзит землеразмерных планет, обращающихся в зоне обитания ближайших солнцеподобных звезд.

Сигер признает, что проектирование подобных наноспутников требует решения вопроса терморегулирования и стабилизации, но ученые рассчитывают запустить рабочий прототип уже в 2012 году, снизив цену последующих аппаратов до $250000 за штуку.

<< Назад