Экзопланеты

Астрономы получили первый в истории снимок молодой солнцеподобной звезды, вокруг которой обращаются две гигантские экзопланеты. Прямые снимки экзопланетных систем крайне редки и до сих пор астрономам не удавалось напрямую увидеть более одной планеты, обращающейся вокруг похожей на Солнце звезды. Подобные наблюдения могут помочь понять, как образовались и эволюционировали планеты Солнечной системы. Статья опубликована в The Astrophysical Journal Letters.

С момента открытия первой планеты за пределами Солнечной системы прошло почти тридцать лет, однако прямые изображения астрономы стали получать совсем недавно. На сегодняшний день существует лишь несколько десятков подобных снимков, так как с технической точки зрения это очень трудная задача, которая требует использования самых совершенных инструментов. При этом прямые наблюдения крайне удобны для изучения атмосфер экзопланет, так как они дают больше информации об их составе, и, как следствие, для оценки потенциальной обитаемости небесных тел.

С помощью VLT Европейской Южной обсерватории Александр Бон (Alexander Bohn) из Лейденского университета вместе с коллегами получил первый прямой снимок планетной системы у солнцеподобной звезды. TYC 8998-760-1, чей возраст составляет всего 17 миллионов лет, расположена примерно в 300 световых годах от Земли в созвездии Мухи. Вокруг нее вращаются два газовых гиганта, которые гораздо массивнее, чем гиганты Солнечной системы: масса внутренней планеты превосходит массу Юпитера в 14 раз, а внешней — в 6 раз. Небесные тела находятся на расстояниях примерно 160 и 320 астрономических единиц (одна астрономическая единица равна среднему расстоянию от Земли до Солнца) — гораздо дальше от своей звезды, чем Юпитер и Сатурн от Солнца.

Открытие позволяет ученым взглянуть на планетную систему, которая похожа на нашу, но находится на гораздо более ранней стадии эволюции. Дальнейшие наблюдения этой системы, в том числе и строящимся телескопом ELT, поможет выявить и взаимодействия между этими двумя молодыми планетами и проверить, образовались ли они сразу на своих нынешних орбитах или мигрировали.

https://nplus1.ru/news/2020/07/22/first-shot

Телескоп обсерватории VLT (Very Large Telescope, "Очень Большой Телескоп") ESO (европейского космического агенства) впервые сделал снимок планетной системы со звездой, похожей на Солнце. Это поможет астрономам понять, как формируются и развиваются планетные системы, включая нашу собственную. Это вторая фотография этого телескопа за последние несколько недель - ранее ESO сфотографировала протопланетарный диск. 

Снимок сделан с помощью коронографа - инструмента, блокирующего яркость солнца, чтоб не излишне засвечивать планеты. Поэтому на снимке видна лишь корона звезды (ее верхняя атмосфера).

Звезда в этой системе (звездный каталог TYC 8998-760-1) схожа по типу с Солнцем, но намного моложе. Планеты же сильно отличаются от тех, что в нашей системе. Обе являются газовыми гигантами, и намного более отдалены (в 30 раз) от своей звезды, чем Юпитер и Сатурн от Солнца, а также в 14 и 6 раз тяжелее Юпитера.

Поиск экзопланет является относительно новым и быстро развивающимся направлением в астрономии. Первая фотография экзопланеты была сделана этим же телескопом в 2004 г. Сама обсерватория была построена в пустыне Атакама в Чили в 1998 г.

«Чтобы иметь представление о редкости такого обнаружения, время, необходимое для наблюдения увеличения, связанного со звездой-хозяином, составляло приблизительно пять дней, в то время как планета была обнаружена только во время небольшого пятичасового искажения», — Антонио Эррера Мартин, астроном из Кентерберийского университета в Новой Зеландии.

После того, как ученые выяснили, что искажение было вызвано действительно другим телом, отличным от звезды, и не было инструментальной ошибкой, исследователи приступили к получению характеристик системы звезда-планета, получившей обозначение OGLE-2018-BLG-0677.


Исследователи выяснили, что найденная экзопланета представляет собой суперземлю с массой в 3,96 раза больше нашей планеты. Это делает ее одной из планет с наименьшей массой, которые когда-либо обнаруживали с помощью гравитационного микролинзирования. Звезда, вокруг которой вращается экзопланета имеет массу всего 0,12 солнечных. Ученым пока не удалось определить, является ли она звездой с малой массой или коричневым карликом.


Расстояние между планетой и звездой составляет от 0,63 до 0,72 астрономических единиц. Экзопланета делает полный оборот вокруг светила за 617 земных дней.


Для того, чтобы определить потенциальную обитаемость экзопланеты, ученым нужно знать температуру звезды и уровень ее активности, однако этот объект находится так далеко и настолько мал, что даже современные приборы не могут провести его спектральный анализ.

https://nat-geo.ru/science/universe/samuyu-dalekuyu-ot-zemli...

Короткий срок экспозиции накладывает определенные ограничения на потенциальные открытия телескопа. Дело в том, что для того, чтобы «поймать» экзопланету, необходимо зарегистрировать два, а лучше три транзита (прохождения планеты по диску звезды) — иначе в данных будет слишком много шума. Лучше всего TESS приспособлен к поиску экзопланет с периодом менее 13 дней, поэтому естественно ожидать, что большинство его находок будет иметь маленькие орбитальные периоды, а это означает, что такие экзопланеты находятся очень близко к своим звездам и условия на их поверхности, вероятно, сильно отличаются от земных, даже несмотря на то, что такие экзопланеты иногда попадают в формальную зону обитаемости — область вокруг звезды, где условия хотя бы теоретически могут подходить для известных нам форм жизни (например, вода должна продолжительное время существовать на поверхности в жидком состоянии).

Однако не исключено, что TESS улыбнется удача, и в зоне непрерывного наблюдения он увидит экзопланету с периодом вращения, например, как у Меркурия (88 дней), но у более тусклой, чем Солнце, звезды. Такая планета будет уже реальным кандидатом для дальнейшего поиска следов жизни. В целом, ожидается, что по итогам двух лет работы TESS откроет от 500 до 1000 земель и суперземель, и около 20 суперземель в потенциально пригодной для жизни зоне.

Стоит отметить, что технические возможности TESS достаточно ограничены (во многом это было вызвано низким бюджетом проекта — создание телескопа стоило меньше 400 млн долларов). Так, «глубина зрения» нового телескопа уступает «глубине зрения» Кеплера примерно в 10 раз, а объем исследуемой выборки звезд на единицу телесного угла на три порядка меньше. С другой стороны, светофильтры TESS пропускают более красную часть спектра, на которую приходится максимум излучения красных карликов — относительно холодных звезд с низкой массой (~0,08–0,35 масс Солнца), считающихся сегодня наиболее привлекательными объектами наблюдения для «охотников» за планетами. Правда, сами красные карлики не слишком благоприятствуют зарождению жизни. Во-первых, в молодости эти звезды светят в десятки (или даже в сотни) раз ярче, чем в зрелый период, а во-вторых, у них часто бывают бурные вспышки рентгеновского излучения, что может попросту сдуть атмосферу с близкой планеты (а зона обитаемости у таких звезд очень небольшая и расположена совсем недалеко от звезды из-за слабого излучения). Например, в одной работе астрономы показали, что газовой оболочке планеты, вращающейся на тесной орбите вокруг красного карлика, может понадобиться около 30 000 лет на восстановление даже после единичной бомбардировки высокоэнергетическими частицами — а на практике такие выбросы могут происходит по несколько раз за сутки (O. Venot et al., 2016. Influence of Stellar Flares on the Chemical Composition of Exoplanets and Spectra).

За время работы TESS часть его данных уже была обработана и в них были найдены новые экзопланеты и даже экзопланетные системы (см., например, M. N. Günther et al., 2019. A super-Earth and two sub-Neptunes transiting the nearby and quiet M dwarf TOI-270). А на проходившей в начале января на Гавайях 235-й встрече Американского Астрономического Общества ученые доложили об обнаружении еще одной экзопланетной системы с как минимум тремя планетами, одна из которых похожа по своим физическим характеристикам на Землю и попадает в зону обитаемости (E. A. Gilbert et al., 2020. The First Habitable Zone Earth-sized Planet from TESS. I: Validation of the TOI-700 System).

Звезда TOI-700 (акроним TOI означает Transiting Exoplanet Survey Satellite Object of Interest — «объект интереса телескопа TESS»), вокруг которой эти планеты обращаются, находится в созвездии Золотой Рыбы. В этом созвездии расположен и южный полюс эклиптики — TOI-700 находится всего в 3° от него, — поэтому суммарно система наблюдалась почти год (рис. 3). Звезда удалена от нас на 31,1 парсек (101,4 св. лет).

Сама звезда TOI-700 — это красный карлик спектрального класса M2, чья масса и радиус составляют около 40 процентов от массы и радиуса Солнца. Три найденные экзопланеты — TOI-700 b, TOI-700 c и TOI-700 d — из-за своей близости к светилу и, как следствие, сильного гравитационного воздействия, вероятнее всего, находятся в приливном захвате, то есть всегда обращены одной стороной к светилу.

Изучив кривую блеска звезды, астрономы смогли определить период вращения, радиус и плотность планет. Сделали это они благодаря тому, что в момент, когда небесное тело проходит по диску светила, оно частично затмевает его, что выражается в виде короткого падения яркости на кривой блеска. Измеряя глубину и длительность этого падения, астрономы могут выяснить радиус планеты и длительность года на ней, так как планеты на разных орбитах и с разными радиусами дают разные «рисунки» затмения (подробнее см. Кривые блеска и экзопланеты). Если ученые обладают еще и измерениями радиальной скорости звезды, они могут найти массу и, как следствие, плотность экзопланеты — а, значит, и определить ее тип. Правда, в обсуждаемом случае у исследователей не было этих данных, и верхние ограничения на массы планет накладывались с помощью алгоритма Forecaster и анализа небольших отклонений времени наступления транзитов.

Самая близкая к родительской звезде планета, TOI-700 b, совершает один оборот вокруг нее за 10 дней (большая полуось ее орбиты оценивается в 0,064 а. е. — это примерно 9,5 млн км; для сравнения, большая полуось орбиты Меркурия — почти 58 млн км) и почти полностью совпадает по размерам с Землей. Следующая по удаленности экзопланета, TOI-700 c, совершает один оборот вокруг звезды за 16 дней и в 2,6 раза больше нашей планеты. Однако наибольший интерес у астрономов вызвала TOI-700 d: ее радиус всего в 1,16 раз больше земного, год на ней длится чуть больше 37 дней (большая полуось ~0,16 а. е.), и она находится внутри потенциально обитаемой зоны (рис. 1). Предполагается, что две крайние планеты этой системы, TOI-700 b и TOI-700 d, представляют собой каменистые тела, в то время как TOI-700 c, скорее всего, похожа на Нептун.

Изначально ученые неверно определили параметры звезды, посчитав, что она больше и горячее, вследствие чего размеры и температуры планет также оказались завышены. Однако после повторного анализа данных астрономы выявили ошибку и скорректировали результаты. Кроме того, им удалось подтвердить полученные значения с помощью наблюдений космического телескопа «Спитцер» и наземной сети телескопов LCO (J. E. Rodriguez et al., 2020. The First Habitable Zone Earth-Sized Planet From TESS II: Spitzer Confirms TOI-700 d).

По оценкам астрономов, поток излучения, который TOI-700 d получает от своего светила, составляет 86 процентов от потока, который Земля получает от Солнца. При этом за 11 месяцев наблюдений TESS не зарегистрировал у звезды сильной вспышечной активности, что делает ее более уверенным кандидатом в пригодные для жизни планеты, чем, например, планеты системы TRAPPIST-1. Несмотря на то, что исследователи не наблюдали звезду TOI-700 в рентгеновском диапазоне, по спектру они определили период ее вращения вокруг собственной оси: он оказался равен 54 дням — такое значение характерно для зрелых красных карликов и позволяет наложить ограничения на их «яркость». Расчеты показывают, что энергия рентгеновского излучения красного карлика не будет превышать 2,4×1027 эрг, что сравнимо с рентгеновской яркостью Солнца во время максимума цикла активности.

Как в действительности выглядит поверхность TOI-700 d и какие на ней господствуют условия, пока, естественно, остается для ученых загадкой. Однако группа астрономов из Центра космических полетов имени Годдарда NASA в Гринбелте, штат Мэриленд построила 20 климатических моделей, чтобы определить, могут ли при разумных предположениях поверхностные температуры на этой планете быть пригодными для известных нам форм жизни (G. Suissa et al., 2020. The First Habitable Zone Earth-sized Planet from TESS. III: Climate States and Characterization Prospects for TOI-700 d).

Ученые рассмотрели два типа модельных планет: водные, чья поверхность полностью покрыта океаном глубиной 50 метров, и пустынные, на которые океан отсутствует. Кроме того, исследователи включили в анализ три вида атмосфер — «современную земную», где доминирует азот (N2), а содержание углекислого газа и метана по объему составляет 400 и 1,7 миллионных долей; «архейскую», где содержание углекислого газа и метана было выше, чем сейчас (что согревало нашу планету, когда Солнце было моложе и тусклее); и «древнюю марсианскую», в которой доминировал, как считается, углекислый газ. Исследователи исключили из анализа кислород, поскольку, в отличие от парниковых газов, он очень слабо влияет на температуру на поверхности планеты. Давление на планетах варьировалось от 0,5 до 10 атмосфер. Полный список исходных условий можно посмотреть в таблице 2 в обсуждаемой статье.

Температура поверхности планет-океанов в полученных моделях варьировались от 236 до 364 кельвин (от −37 до 90 градусов Цельсия). Тем не менее, даже при условии «парникового эффекта» получается, что средняя температура для всех «водных» миров составляет 260 кельвин (−13 градусов Цельсия), а лед покрывает более 60 процентов поверхности. В самом «холодном» случае, когда в атмосфере отсутствовал углекислый газ и доминировал азот, свободными ото льда оставались всего 24 процента поверхности планеты и только тогда, когда «солнце» находилось в зените.

Температуры планет-пустынь оказались примерно на 10–20 кельвин ниже, чем для планет-океанов при тех же исходных условиях. Несмотря на то, что «сухие» миры технически не пригодны для существования жизни, ученые все равно включили их в анализ, так как они допускают существование полярных шапок или подповерхностных источников воды, которые смогут создавать слабые гидрологические циклы.

Кроме того, ученые также смоделировали возможные спектры TOI-700 d — то есть (если говорить совсем упрощенно) то, как планета будет отражать звездный свет (рис. 4). Сделано это было для того, чтобы в будущем иметь возможность сравнить реальные данные с симуляциями и понять, на что похож открытый телескопом TESS мир. К сожалению, современные обсерватории и те, что будут запущены в ближайшее время, в том числе и телескоп им. Джеймса Уэбба, не позволят нам получить столь точную информацию для системы TOI-700: по сравнению с родительской звездой планеты все равно слишком малы и инструментам попросту не хватит разрешения для того, чтобы выделить их спектр. В лучшем случае (хотя это тоже маловероятно), новые телескопы смогут определить наличие атмосферы в целом. Так что для более детального изучения открытых миров надо будет ждать еще более совершенной наблюдательной техники.

Также остается открытым вопрос наличия атмосферы в принципе. Оценки, основанные на наблюдениях телескопа Gaia, показывают, что хотя красный карлик TOI-700 достаточно молод, он уже должен был пройти через фазу повышенной «яркости», которая может длиться несколько миллиардов лет. В этом случае, как уже обсуждалось выше, первичную атмосферу с TOI-700 d могло просто «сдуть» мощным излучением. С другой стороны, есть шанс, что в ходе эволюции у планеты образовалась вторичная атмосфера, однако для этого требуются тектоническая активность и извержения вулканов.

Тем не менее, TOI-700 остается привлекательным кандидатом для исследований даже сейчас. Например, астрономы пока что не могут ответить, как именно сформировалась такая система, в которой экзонептун затесался между двумя небольшими каменистыми планетами. В принципе, необычная конфигурация может объясняться разной скоростью формирования планет или миграцией, однако до окончательного ответа здесь еще далеко.

тык