Изображение телескопа Кеплер
Сколько планет есть в нашей Галактике? 30 лет назад ответ на такой вопрос лежал в области чистых догадок, поскольку тогда мы ещё не нашли ни одной планеты за пределами Солнечной системы. Если перемотать на сегодняшний день, окажется, что мы уже нашли тысячи таких планет напрямую – и большая их часть открыта миссией НАСА Кеплер. Но несмотря на все успехи Кеплера и все эти новые открытия, самыми интересными остаются те планеты, которые он пропустил. А сколько их? Наш читатель Руди Сигель (не родственник) хочет узнать:
Раз Кеплер использует транзитный метод для обнаружения экзопланет, сколько из них мы пропускаем из-за несовпадения плоскостей эклиптики?
Ответ состоит из двух частей: мы пропустили 99% таких планет, но причина пропуска большей их части никак не связана с выравниванием эклиптики.
Разновидности открытых Кеплером планет. Планеты тяготеют к большому размеру и близкому расположению к звезде
Телескоп Кеплер работал по принципу наблюдения за небольшим участком нашей Галактики в ежедневном режиме в течение трёх лет, пока не вышел срок предварительной миссии. Он смотрел на один из участков одного спирального рукава, и, несмотря на узкое поле обзора, наблюдал сразу за 150 000 звёзд, отслеживая крохотные периодические изменения в их яркости. Конкретно, если звезда становилась немного тусклее на небольшой промежуток времени, а затем возвращалась к своей первоначальной яркости, после чего такой цикл через какое-то время повторялся, это событие отмечалось, как кандидат на планету.
Слева – основной транзит, справа – обнаружение экзопланеты KOI-64
Этот способ известен как транзитный метод открытия экзопланет. Ориентация солнечных систем относительно нашей может быть любой, но иногда мы обнаруживаем такую, у которой планета, двигающаяся вокруг звезды, находящейся на прямой видимости с нашей точки зрения, пересекает эту линию. Но временное уменьшение яркости могут вызвать и другие явления:
- Пролетающий астероид из пояса Койпера внутри нашей Солнечной системы;
- Планета-сирота в глубинах межзвёздного пространства;
- Система двойной звезды, в которой одна из них закрывает другую;
- Внутренняя изменчивость светимости самой звезды – например, большое холодное тёмное пятно.
В 2006 Меркурий проходил по Солнцу, но крупное пятно на диске Солнца гораздо сильнее уменьшило его светимость.
Но если этот провал в светимости такой же величины повторяется снова, а тем более – несколько раз, он становится прекрасным кандидатом на последующее наблюдение с применением другого метода. Примерно половина планетарных кандидатов, определённых Кеплером, пока что оказались реальными планетами – и таких уже несколько тысяч. Для 150 000 исследованных звёзд в поле зрения Кеплера это не так уж и много. И интуиция читателя была права – совпадение эклиптик действительно сильно влияет на это.
В поле зрения Кеплера было порядка 150 000 звёзд, но прохождения были зафиксированы только у нескольких тысяч. В теории почти у всех этих звёзд должны быть планеты.
Звёзды могут быть достаточно крупными телами – даже самые мелкие из них превышают 100 000 км в диаметре, но расстояния до их планет бывают огромными, от миллионов до миллиардов километров по большой полуоси. В нашей Солнечной системе ближайшей планетой к Солнцу является Меркурий, который довольно часто осуществляет прохождение по диску Солнца. Но это лишь оттого, что все планеты в Солнечной системе находятся примерно в одной плоскости! Если бы мы оказались вне Солнечной системы, мы находились бы в случайной ориентации по отношению к плоскости эклиптики, и лишь с небольшой доли направлений смогли бы увидеть прохождение Меркурия.
Планеты / диапазон градусов / шанс на удачное совпадение плоскостей.
Со случайного места в космосе, учитывая относительный размер и орбитальное расстояние до каждой планеты, по сравнению с Солнцем, можно подсчитать шансы увидеть прохождение. Чем дальше от Солнца, тем меньше шансы. При расчёте таблицы не учитывалось время и размеры.
Мы можем подсчитать эту долю для каждой планеты из Солнечной системы, и обнаружить, что чем ближе мы находимся к звезде, тем больше наши шансы. Даже у Меркурия шансы оказаться в одной плоскости с наблюдателем меньше 1%, а к тому моменту, как вы отодвинетесь до орбиты Юпитера, шансы окажутся равными 1 на 2000. Очевидно, большую часть планет Кеплер упускает, и ориентация прохождения играет тут большую роль.
Но есть и другие факторы, важность которых может оказаться ещё большей.
Кеплер разрабатывали для наблюдения за прохождениями планет, но даже крупная планета, движущаяся вокруг звезды, может блокировать лишь малую долю её света, уменьшая её яркость не более, чем на 1%. Чем меньше планета относительно её родительской звезды, тем больше прохождений нужно уловить, чтобы получить надёжный сигнал.
Размер тоже играет большую роль — размер проходящей планеты по отношению к её родительской звезде. Если мир во время прохождения закрывает 1% поверхности родительской звезды, Кеплер легко его увидит. Если он закрывает 0,1% поверхности, ему потребуется 10 раз пройти по орбите, чтобы накопить сигнал со сравнимой надёжностью. 100% планет размером с Меркурий слишком малы для того, чтобы их можно было увидеть рядом с солнцеподобными звёздами. То же верно и для планет размером с Марс. Легче всего увидеть крупнейшие планеты на орбите вокруг самых малых звёзд – именно их и обнаруживал Кеплер.
Количество планет, открытых Кеплером, отсортированное по размеру, на май 2016, когда учёные выпустили крупнейший список планет. Чаще всего встречаются планеты типа сверх-Земли или мини-Нептуна, и лишь малая доля планет оказывается больше Земли.
Наконец, существует вопрос времени. Миссия Кеплера длилась три года, поэтому она могла засечь несколько прохождений тех планет, что совершали полный оборот, гораздо чаще. Все газовые гиганты в нашей Солнечной системе, несмотря на их размер, остались бы невидимыми для Кеплера! Если сложить это всё вместе, мы увидим несколько основных параметров, которые должны сойтись, чтобы Кеплер обнаружил планету:
- Ориентация планетной системы должна быть достаточно хорошей для того, чтобы наблюдаемый мир делал прохождение по диску своей звезды с нашей точки зрения.
- Планета должна быть достаточно большой относительно размера звезды, такой, чтобы она блокировала достаточно много света за заданное количество прохождений.
- Планета должна находиться достаточно близко к родительской звезде, чтобы совершить, по меньшей мере, два прохождения за период наблюдений.
Хотя Кеплер и нашёл планеты земного размера, большая часть открытых планет оказалась крупнее Земли и расположенной ближе к своей звезде, чем Земля – просто такие планеты легче всего найти.
Есть большое искушение экстраполировать количество планет на основе найденных и посчитать, сколько планет должно быть исходя из количества звёзд в галактике, но у нас просто нет для этого данных. Мы измерили целую гору планет, и на основе соотношений расстояния и орбитального периода можем уверенно сказать, что соотношение количества планет к количеству звёзд, по меньшей мере, в 1000 раз больше, чем мы увидели. Но у нас нет достаточно данных для внешних границ Галактики. Используя имеющиеся у нас методы, нам пришлось бы проводить исследования сотни лет, чтобы понять, какая картина является типичной. Но есть и другой шанс.
Концептуальная схема космического телескопа LUVOIR, который разместится в точке Лагранжа L2, развернёт основное зеркало диаметром 15,1 м и начнёт изучение Вселенной, передавая нам несказанные богатства знаний по астрономии и науке вообще
30-метровые телескопы вроде Гигантского Магелланова телескопа и Европейского чрезвычайно большого телескопа потенциально должны суметь разглядеть внешние миры напрямую, благодаря отражённому ими свету, а машина мечты, LUVOIR, телескоп класса 10-15 м, сможет щедро снабдить нас информацией о планетах, невозможной при нынешних технологиях. [LUVOIR – это не конкретный аппарат, а просто набор требований и запросов к телескопам нового уровня. Представителем этого класса является, например, проект ATLAST, но он будет запущен не ранее 2035 года / прим. перев.]. И пока у нас не будет определенных данных по тому, что есть в космосе, мы можем лишь налагать нижние ограничения и делать оценки. Сейчас считается, что в нашей галактике существуют триллионы планет – но мы хотим не предполагать, а знать. При умеренном везении, не очень больших инвестициях и большом объёме тяжёлой работы мы сможем получить ответ на этот вопрос всего через несколько десятилетий.
Итан Сигель – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].
ЧаВо: если Вселенная расширяется, почему не расширяемся мы; почему возраст Вселенной не совпадает с радиусом наблюдаемой её части
Автор: Вячеслав Голованов
