Проект 'Астрогалактика' информирует:.

История и перспективы открытий багровых миров или планеты у красных карликов.

Как известно наиболее распространенными звездами во Вселенной являются красные карлики. Эти звезды и массой, и светимостью уступают нашему Солнце, излучая преимущественно в инфракрасной части электромагнитного спектра. Из-за меньшей массы у красных карликов зона обитания (т.е. диапазон, где возможно существование воды в жидком состояние) находится в пределах периода обращения планеты в несколько суток. Из-за такого небольшого периода обращения планета оказывается приливно запертой гравитацией звезды. Это означает, что одно полушарие планеты вечно повернуто к звезде, а другое в тени. В связи с этим жизнь на такой планете более вероятна в сумеречной зоне – на границе вечного дня и ночи. Из-за перечисленных особенностей планеты у красных карликов стоят далеко не на первом месте в приоритетах поиска жизни во Вселенной. С другой стороны в связи со своей распространенностью во Вселенной красные карлики являются ближайшими известными звездами к Солнечной Системе. Поэтому попытки поиска планет начались именно с ближайших красных карликов – Проксимы Центавры и Летящей Барнада.

В 1969 голландский астроном Питер Ван де Камп измеряя координаты Летящей Барнада на архивных снимках за разные годы обнаружил возмущения собственного движения звезды. Их можно было объяснить планетой массой 1.6 масс Юпитера и большой полуосью 4.4 а. е. Через год он предположил наличие еще двух планет массой 1.1 и 0.8 масс Юпитера. Однако другие астрономы, проверяя открытие Кампа, не смогли подтвердить наличие планетной системы и пришли к выводу, что колебания траектории звезды были вызваны модернизацией телескопа. В 1995 году астрометрические измерения с Хаббла окончательно исключили наличие планет-гигантов с периодом в несколько лет и у Проксимы и у Летящей. В отличие от астрометрического поиска, где М карлики из-за своей небольшой массы наиболее благоприятные цели для поиска планет, поиски методом лучевых скоростей начались спустя почти десятилетие после поисков у солнцеподобных звезд. Это связано с большими трудностями получения спектров тусклых звезд, какими являются даже наиболее близкие красные карлики. Но уже в 1998 году две ведущие в этой области научные группы независимо друг от друга обнаружили колебания лучевой скорости у близкого М карлика Glise 876. С одной стороны это была Калифорнийская группа, начавшая проверку 24 М карликов в обсерватории Лик с точностью измерения 25 метров в секунду.

С другой стороны открытие принадлежало Женевской группе, начавшей осуществлять с 1995 года масштабный обзор всех М карликов ближе 9 парсек на предмет звездной двойственности. Обзор состоял, как из измерения лучевых скоростей звезд на спектрографах ELODIE и CORALIE с точностью 10-70 м/c в зависимости от яркости с целью поиска невидимых компаньонов, так и фотографирование окрестностей для нахождения звездных компаньонов. Glise 876 стала не только первой известной планетной системой у красного карлика, но одной из самых уникальных до сих пор. После детальных измерений оказалось, что вокруг звезды обращается сразу два газовых гиганта с периодом в 30 и 60 дней, т.е. в резонансе 1 к 2. Изучение американской группой возмущений планет друг от друга в резонансах позволило, как определить наклонение орбитальной системы, так и обнаружить в 2005 году в системе еще одну (уже третью планету!) причем самую небольшую известную на тот момент (массой всего лишь 7.5 масс Земли) обращающуюся на 2-суточной орбите. Вероятно, эта планета представляет собой нечто подобное массивной планете Венера с активным вулканизмом на поверхности и очень плотной и раскаленной атмосферой. Внутренняя планета у Glise 876 стала, вероятно, первой открытой скалистой планетой за пределами Солнечной Системы.


Открытием Glise 876 Калифорнийская группа не ограничилась. После того, как в ее распоряжение в 1996 году оказался 10-метровый телескоп Кек на Гавайях поиски постепенно охватили около 150 близких северных М карликов. Первым результатом этого обзора было отсутствие обнаружений короткопериодичных газовых гигантов, кроме Glise 876 в отличие от значительного числа открытых планет этого типа у желтых карликов. Теоретики объяснили это менее массивным протопланетным диском, не благоприятствующим образованию газовых гигантов в отличие от более массивных звезд. Однако чем больше наблюдались звезды, тем более длинопериодичные гиганты можно было обнаружить. В 2006 и 2007 годах были представлены долгопериодичные планеты у GJ 849 и GJ 317. В первом случае это юпитер в 2.5 астрономических единицах от своей звезды, а во втором система из двух юпитеров с периодами 600 и 2700 дней. Вероятно, это только “первое погружение“ в открытия все более долгопериодичных планет у красных карликов. Тем более Калифорнийская группа обладает наиболее длительным наблюдательным рядом замеров лучевых скоростей.

В то время как американские астрономы открывают все более далекие от своих звезд планеты их европейские коллеги достигли больших успехов в поисках планет небольшой массы. Хотя и первоначально группа Марси за счет спектрографа HIRES (использующего огромное зеркало Кека) открыла в 2004 и 2005 годах последовательно наименее легкие планеты – горячие нептуны у GJ 436 и Glise 876, однако новый сверхточный спектрограф HARPS установленный в 2003 году в Южной Европейской Обсерватории достиг новых горизонтов во внесолнечной планетологии. Женевской группе было дано 500 наблюдательных ночей на HARPS для поиска экзопланет в течение первых 5 лет работы уникального инструмента. Одной из приоритетных целей этой программы стал поиск небольших планет у примерно 100 южных М карликов. Результаты не заставили себя ждать. Сначала были открыты горячие нептуны у Gl 581 и GJ 674. Дальнейшие наблюдения позволили обнаружить еще две планеты в системе Gl 581 – планету массой около 5 масс Земли на 13 суточной орбите и массой 10 масс Земли на 84 суточной орбите. Первая планета оказалась наиболее похожей на Землю из всех известных на сегодняшний день планет за пределами Солнечной Системы – как по массе, так и по положению в зоне обитания. Хотя до идеала еще далеко – из-за большой массы планеты на ней, скорее всего, существует очень плотная атмосфера, порождающая венерианские температуры. Не менее интересна и вторая суперземля. Она хоть и более массивная и находится далеко от зоны обитания, но не исключено что обе эти особенности в комплексе создают благоприятные для жизни условия. Так как парниковый эффект мощной атмосферы может обеспечивать достаточную для жизни температуру на поверхности. Все лишь зависит от неизвестного состава атмосферы планеты, определяющей величину этого самого парникового эффекта.


Не прошло месяца после того, как мир узнал об уникальных планетах у Gl 581, как Женевская группа в мае 2007 года представила еще более значимое открытие в области внесолнечной планетологии. В ходе фотометрической проверки из небольшой швейцарской обсерватории красных карликов с уже известными планетами были неожиданно обнаружены 2 транзита у Gl 581. Неожиданно хотя бы потому, что горячий нептун у этой планеты был открыт 3 года назад до этого, и авторы открытия из американской группы Марси в своей статье указывали, что проведенные ими поиски транзитов были безуспешны. Однако неожиданное открытие в течение ближайших нескольких недель было подтверждено. Впервые для этого класса планет удалось определить среднюю плотность. Она оказалась практически равной плотности малых газовых гигантов Солнечной Системы - Урана и Нептуна. До этого плотность удавалось определить только у горячих юпитеров. Спустя всего лишь два месяца затмения вызванные планетой наблюдал уже и космический инфракрасный телескоп Спитцер. По его наблюдениям яркостная температура планеты оказалась равна 712 +/-36 Kельвинов.


Кроме Калифорнийской и Женевской групп планеты у красных карликов методом лучевых скоростей ищут на больших телескопах VLT и HET. В первом случае с 2001 года осуществляется мониторинг 25 южных красных карликов (в том числе Проксима Центавра и Летящая Барнада) с помощью спектрографа UVES. Благодаря этому обзору для Проксимы и Летящей получены наиболее низкие верхние ограничения на наличие возможных планет в обитаемой зоны равные 2-3 массам Земли. Во втором случае на техасском 9.1 метровом телескопе осуществляется мониторинг около 90 М карликов. Первым открытием этого обзора стал горячий нептун у GJ 176.



Человечество уже несколько тысяч лет задает вопрос о наличие внеземной жизни. Последние впечатляющие успехи внесолнечной планетологии, казалось бы, как никогда приблизили нас к ответу на этот вопрос. Больше десятка лет разрабатываются амбициозные планы NASA по созданию инфракрасного коронографа и интерферометра для поиска и изучения земплеподобных планет у ближайших звезд, похожих на Солнце. Однако, в последнее время в связи концентрацией ограниченного бюджета на дорогостоящую программу возвращения человека на Луну над фундаментальной космической наукой нависла опасность. Ведь, если бюджеты текущих экзопланетных исследований ограничиваются несколькими десятками миллионов долларов, то космические обсерватории для поиска и изучения возможных обитаемых землеподобных планет потребуют многие миллиарды. В настоящее время американские планетологи работают над концепцией в рамках программы Exoplanet Task Force, которая позволит увеличить эффективность отношения вложенных средств к полученным научным результатам. Одни из активных участников этой программы Charbonneau и Deming предлагают обратить внимание на красные карлики, как уникальную возможность найти решение проблемы сокращения научного бюджета для получения части ответов на фундаментальные вопросы о распространение жизни во Вселенной, ограничившись использованием существующих или уже строящихся инструментов. Выделяется 5 факторов предпочтительности поиска возможных обитаемых планет у красных карликов ранних (M4V) и поздних (M8V) типов по сравнению с желтыми карликами, вроде нашего Солнца:

  • 1) Геометрическая вероятность затмения (транзита) выше - 1.5% у M4V и 2.7% у M8V против 0.47% у Земли с Солнцем.
  • 2) Более глубокое затмение от обитаемой планеты - 1.3 mmag у M4V и 8.4 mmag у M8V по сравнению 0.084 mmag у Солнца.
  • 3) Частота транзитов больше, так как периоды обращения по орбите меньше - только 15 суток у M4V и 2.5 суток у M8V. Это благоприятствует измерению массы планеты, а также способствует более лучшему спектроскопическому исследования вторичного затмения. За год система Земля-Солнце бывают во вторичном затмение около 13 часов против 44 часа у M4V и 84 часов у M8V.
  • 4) Изменение лучевой скорости звезды под воздействием планеты значительно больше - 1.4 м/с у M4V и 4.4 м/с у M8V против 0.18 м/с у системы Земли и Солнца.
  • 5) Разница между яркостью планеты и звезды значительно меньше, чем для Земли и Солнца - 0.012% у M4V и 0.11% у M8V против 0.00044% для системы Солнца-Земли. Это облегчает транзитную спектроскопию.

  • Ученые предлагают три шага на пути открытия обитаемых планет у близких красных карликов.

  • 1) Фотометрические обзоры должны открыть скалистые транзитные планеты у М карликов.
  • 2) Массы открытых планет будут найдены с помощью наземных спектрографов путем измерения лучевых скоростей звезды-хозяйки.
  • 3) Получение спектров планет с помощью спектроскопии затмений.

Для первого шага предлагается произвести поиск возможных затмений планетами размером с Землю в обитаемой зоне среди 10 тыс. ближайших красных карликов. Если транзитов не будет найдено, то частота подобных планет меньше 2.8% (на уровне 3 сигмы). Если же частота, например 5%, то математическое ожидание предсказывает 11 открытий. Потребуется съемка с помощью наземных телескопов. Современные транзитные обзоры сталкиваются с проблемой фильтрации ложных астрофизических кандидатов в планеты. Их число зачастую превышает на целый порядок число истинных планет среди всех обнаруженных кандидатов. Этому две причины: неизвестный параллакс, затрудняющий определение расстояния и параметров звезды, а также похожесть кривой транзита между горячими юпитерами и М карликами вокруг G(F) звездами из-за их примерно одинакового размера. В случае с красными карликами эти две проблемы устраняются. Из-за близости их параллакс определяется с гораздо большей точностью. А симмитировать планетный транзит вокруг красного карлика может только белый карлик, что является очень простым случаем для спектроскопического отождествления. В настоящее время Charbonneau подготавливает сеть из автоматических телескопов для обзора 2000 ярких северных красных карликов на полосе z с чувствительностью достаточной для обнаружения транзитов планет с радиусом 2 радиуса Земли в обитаемой зоне. Это проект, названный MEarth будет состоять из 10 14-дюймовых телескопов смонтированных на одной монтировке с общей стоимостью 600 тыс. $. Проект для поиска у 10 тыс. М карликов планет с радиусом Земли потребует несколько обсерваторий в разных полушариях с апертурой телескопов порядка 1 метра, и будет стоить порядка 5 млн.$.

Во время второго шага найденную по затмениям планету нужно “взвесить“. Наличие планеты порождает колебания лучевой скорости с амплитудой 1.4 м/с у M4V и 4.4 м/с у M8V. Звезды более ранних типов, чем M5V легко могут быть обследованы на уже существующих спектрографах (вроде HIRES или HARPS или строящегося New Earths Facility). Для более поздних типов М карликов, необходимы новые спектрографы, работающие в ИК диапазоне. С 2006 разрабатывается спектрограф PRVS на телескопе Gemini. Установленный на 8-метровом телескопе он способен за 30 минут достичь необходимой точности. Для определения орбиты планеты (при нулевом эксцентриситете) требуется лишь 5 замеров лучевой скорости. После измерения радиуса и массы планеты можно определить ее среднюю плотность, а значит сделать приблизительный вывод о ее химическом составе.



На третьем шаге осуществляется затменная спектроскопия. Получение спектра обитаемой планеты у красного карлика может быть выполнено космическим криогенным ИК телескопом. Ожидается, что приемник Хаббла – космический телескоп JWST будет иметь такие же возможности, в отношение скалистых планет у красных карликов, какие сейчас имеет инфракрасный космический телескоп Спитцер в отношение горячих юпитеров. Более того, чувствительность Спитцера при наблюдениях транзитов уже сейчас достигает горячих Земель. В настоящее время идет анализ данных наблюдения системы GJ 876. Теоретически планета массой в 7.5 масс Земли находится в пределах обнаружения на длине волны в 8 мм. Если Спитцер может только обнаружить транзит "горячей Земли", то JWST должен получить уже и спектр "теплой Земли" (т.е. планеты с температурой поверхности в 290K). Был вычислен уровень отношения сигнала к шуму для спектрографа MIRI, который планируется установить на JWST. За минимальное время экспозиции в 3 секунды шум превышает число фотонов от планеты. Однако, если увеличить общее время экспозиций до 200 часов (наблюдая звезду с планетой и без планеты одинаковое количество времени), то, при спектральном разрешение R=100 отношение уровня сигнала к шуму больше 10. Фотометрия JWST теплых Земель достаточна для измерения температуры между дневной и ночной стороной. Если JWST найдет разницу небольшой, то это станет весомым аргументом наличия атмосферы и возможной обитаемости приливно запертых планет у красных карликов.





Перечисленные методы рассказывают об открытиях планет у близких звезд примерно в радиусе 30 парсек от Земли. Однако существуют методы позволяющие эффективно искать планеты у очень далеких звезд в тысячах парсек от нас. Это микролинзирующие и транзитные поиски на фоне плотных звездных полей, преимущественно в направление центра Нашей Галактики. Так как большинство звезд красные карлики ничего удивительно, что и тут они оказались в центре событий. Наиболее важный результат это открытие нового типа планет – “ледяные нептуны“ сразу у двух М карликов во время наблюдательного сезона 2005 года. Из анализа всех микролинзирующих событий было получено нижнее ограничение в наличие этого типа планет примерно у трети маломассивных звезд в направление Центра Галактики. Будущие наблюдательные сезоны помогут значительно уточнить статистическое распределение планет в зависимости от массы и большой полуоси орбиты.

Итак, планеты у красных карликов существуют, причем уже открыты совершено разные миры. Хотя текущие исследования в течение последних 10 лет показывают их меньшую распространенность, по сравнению с планетами у желтых карликов, похожих на наше Солнце. Сейчас известно чуть больше десятка подобных планет против больше двух сотен у более массивных звезд. Более того, среди известных планет у красных карликов преобладают планеты с массой на много меньше массы крупных газовых гигантов вроде Юпитера или Сатурна. И в заключение красные карлики предоставляют уникальную возможность более простого поиска планет благоприятных для жизни.




Использованная литература: http://arxiv.org/abs/0706.1047


Выпущено проектом 'Астрогалактика' 27.01.2008

Hide|Show