На этой неделе агентство NASA объявило, что основная миссия орбитальной обсерватории TESS подошла к концу. За два года работы инструмент обнаружил более 2100 планет, которые пока числятся в статусе кандидатов, и 66 миров, существование которых уже подтверждено независимыми наблюдениями. Но открытия будут продолжаться: проект перешел в фазу расширенной миссии.
Среди миров
Экзопланеты — это планеты, которые обращаются не вокруг Солнца, а вокруг других звезд. Такие миры долго оставались епархией фантастов, и лишь в самом конце XX столетия астрономическая техника достигла уровня, который позволил открывать и изучать иные планетные семьи.
В 1995 году Мишель Майор и Дидье Кело обнаружили первую планету у обычной звезды (за несколько лет до этого были открыты две экзопланеты у нейтронной звезды), за что в 2019 году удостоились Нобелевской премии по физике. К началу 2010-х счет известным экзопланетам шел уже на сотни. На сегодняшний же день известно более 4300 миров. Мы живем в эпоху великих космографических открытий.
Сопоставляя данные о тысячах планетных систем, астрономы отделяют типичное от случайного. Они не могли этого сделать, пока имели в распоряжении только одну систему — Солнечную. Так биологу, изучившему одну птицу, трудно было бы судить обо всех птицах сразу. Если этой птахой случайно окажется страус, натуралист рискует сделать вывод, что все птицы здорово бегают и в размерах могут соперничать с человеком. Но ему едва ли придет в голову, что эти создания могли бы летать.
Это сравнение — не просто игра ума. Другие планетные системы зачастую совсем не похожи на нашу собственную. Достаточно сказать, что самым многочисленным (насколько сейчас известно) классом планет являются «суперземли» и «субнептуны» — тела, которые больше Земли, но меньше Нептуна. В Солнечной системе подобных объектов нет вообще, и в этом отношении она — самый настоящий страус.
Чтобы выяснить законы, по которым рождаются, живут и умирают планетные системы, ученые стремятся открыть как можно больше экзопланет. И, разумеется, человечество весьма интересуется потенциально обитаемыми мирами.
Затмевающие свет
Как астрономы открывают экзопланеты? Не нужно думать, что их буквально видят в телескоп. Подобное все еще практически невозможно. Лишь для немногих миров были получены прямые изображения, и то не в видимом свете, а в инфракрасных лучах. Для массового открытия планет астрономы пользуются другими методами.
Более 70% известных миров открыты методом транзитов. Его основная идея очень проста. Экзопланета, обращаясь вокруг родительской звезды, периодически заслоняет ее от наблюдателя. Правда, планета слишком мала, чтобы закрыть светило полностью. Но все же, совершая транзит (проход) по диску звезды, она затмевает собой часть света. Если построить график зависимости яркости звезды от времени, на нем обнаруживаются характерные провалы, как показано на иллюстрации ниже. Такой провал возникает каждый раз, когда планета проходит между своей родительской звездой и телескопом. Регулярно повторяющиеся падения блеска и служат сигналом, что у звезды есть планета. Промежуток времени между двумя соседними минимумами — это продолжительность ее года (полного оборота вокруг светила). По глубине падения яркости можно рассчитать и радиус экзопланеты.
Прочесывая небо
Применяя метод транзитов, нужно как можно точнее измерять блеск звезды. Эффективнее всего эту задачу решают орбитальные телескопы, которым не мешает атмосфера Земли.
19 апреля 2018 года агентство NASA запустило в космос обсерваторию TESS стоимостью $337 млн. Это третий орбитальный инструмент (после CoRoT и Kepler), специально предназначенный для поиска экзопланет методом транзитов. И это первая подобная миссия, которая обследовала большую часть неба.
В течение первого года работы TESS обозревал южное полушарие небесной сферы и еще год потратил на северное. В результате он просканировал 75% площади неба, и в его поле зрения попало более 20 миллионов звезд.
Каждое полушарие команда проекта разбила на 13 секторов. На наблюдение одного сектора инструмент тратил 27 суток. Раз в полчаса он фотографировал всю наблюдаемую площадку. Кроме того, каждые две минуты телескоп измерял блеск самых близких и ярких светил (всего в таком топ-листе оказалось 200 000 звезд).
Чтобы говорить об открытии экзопланеты, необходимо как минимум три транзита. В самом деле, астрономам нужно убедиться, что между вторым и третьим падением яркости прошло столько же времени, сколько между первым и вторым. Значит, программа наблюдения TESS рассчитана на миры, год которых длится не более девяти земных суток. Не слишком ли это мало? Ведь даже Меркурий, самая торопливая планета семьи Солнца, тратит на оборот вокруг светила 88 дней.
Однако, как уже упоминалось выше, Солнечная система отнюдь не эталон. К моменту запуска TESS астрономы уже открыли с помощью других телескопов множество миров, обращающихся вокруг своей звезды за несколько земных дней. Ученые рассудили, что лучше за два года обшарить почти все небо в поисках подобных торопыг, чем долго и упорно обозревать одну небольшую площадку, надеясь, что в конце концов в ней обнаружится несколько миров с более продолжительным годом. Астрономы попросту хотели сорвать все низко висящие плоды.
Есть и еще один важный аргумент. Парадоксально, но короткопериодические экзопланеты зачастую имеют больше шансов на обитаемость, чем их неторопливые собратья. Дело в том, что более 70% звезд Галактики — красные карлики, которые значительно меньше и холоднее Солнца. В такой системе планета на орбите Земли или даже Меркурия была бы ледяным адом. Чтобы получить достаточно тепла, небесному телу нужно быть намного ближе к своему тусклому патрону, а это значит, что и обращаться вокруг него придется быстрее.
TESS уже обнаружил несколько планет, на которых, судя по расстоянию до родительской звезды, возможно существование жидкой воды. Это, например, экзопланета TOI 700 d.
В сухом остатке
Недавно NASA объявило, что TESS завершил основную программу наблюдений. Сколько же миров открыл телескоп?
На сегодняшний день в анналах проекта отметились почти 2200 планет. Однако эти цифры могут измениться.
По строгим научным правилам свежеоткрытый объект получает статус кандидата в экзопланеты. Экспертам необходимо убедиться, что это реально существующее небесное тело, а не плод ошибки в данных или в расчетах. Для этого нужны независимые наблюдения на другом телескопе. Если такая проверка подтверждает существование планеты, кандидат в глазах научного сообщества превращается в «настоящую» экзопланету.
На сегодняшний день подтверждена реальность 66 экзопланет, открытых TESS. Еще более 2100 пока остаются кандидатами. Это не означает, что с ними что-то не так, просто до их проверки еще не дошла очередь. У астрономов всегда задач гораздо больше, чем телескопов.
Напомним, что на сегодняшний день астрономы насчитали примерно 4300 планет, в чьем существовании они уверены. Это итог работы множества разных инструментов. Если подавляющее большинство кандидатов TESS окажутся реальными объектами, то это число увеличится сразу в полтора раза.
А пока кандидаты ждут подтверждения, обсерватория продолжает работу. Проект вступил в фазу расширенной миссии, которая продлится до сентября 2022 года.
За это время телескоп пронаблюдает участки неба, которые не были охвачены основной миссией. Кроме того, он заново просканирует уже изученные площадки. Но теперь аппарат будет фотографировать наблюдаемый сектор втрое чаще: не раз в полчаса, а каждые десять минут. Кроме того, блеск нескольких тысяч звезд будет измеряться каждые 20 секунд.
Зачем это нужно? Дело в том, что звезда — не идеальный светильник. Яркость любого светила по тем или иным причинам несколько колеблется (это может происходить из-за вспышек, пятен, пульсаций и т. д.). Уловить в этом хаосе транзит небольшой экзопланеты — задача не из легких. А именно небольшие миры вроде Земли или Марса — естественная цель для поисков жизни.
Более подробные данные помогут специалистам отделить «зерна» землеподобных планет от «плевел» звездной активности. И, возможно, скоро мы услышим о новых экзопланетах, климат которых сочли бы приятным самые взыскательные туристы.