ЗВЕЗДНЫЙ ПАТРУЛЬ

Космический комплекс для исследования внесолнечных планетных систем,
предлагается для включения в Федеральную космическую программу на 2016-2025 гг

Карта сайта:

Главная
Главная страница сайта

Экзопланеты
Современные сведения, актуальные и значимые наблюдательные задачи

Методы и интструменты
Методы и инструменты обнаружения и исследования экзопланет

Звездный Патруль. Фотометрия
Научные задачи и инструментальные возможности фотометрической части миссии

Звездный Патруль. Прямое наблюдение экзопланет
Научные задачи и инструментальные возможности по прямому наблюдению экзопланет

Звездный Патруль. Солнечная система
Научные задачи дистанционного исследования планет и малых тел Солнечной Системы

Лаборатория 535 (отдел 53 ИКИ РАН): фотометрии и ИК-радиометрии
Состав и основные публикации сотрудников лаборатории

Методы поиска экзопланет. Инструменты

Метод измерения лучевых скоростей родительских звезд
Транзитный метод
Метод тайминга
Гравитационное микролинзирование
Астрометрический метод
Прямое наблюдение экзопланет

Метод измерения лучевых скоростей родительских звезд (RV-метод)

Метод измерения лучевых скоростей родительских звезд основан на том, что, строго говоря, не планета вращается вокруг звезды, а и звезда, и планета вращаются вокруг общего центра масс. Вращение звезды вокруг барицентра системы приводит к периодическим изменениям ее лучевой скорости, чья амплитуда меняется от сотен метров в секунду в случае массивных планет-гигантов на тесных орбитах (так называемых «горячих юпитеров») ~0.1 м/сек для планет земного типа на расстоянии ~1 а.е. от звезды. К настоящему моменту методом лучевых скоростей открыто большинство внесолнечных планет.

Точность измерения лучевой скорости звезды лучшими наземными спектрографами (такими, как HARPS, установленный на телескопе обсерватории Ла-Силья, и HIRES - в обсерватории Кека) может превышать 1 м/с (эта точность сильно зависит от хромосферной активности звезды и скорости ее вращения). Таким образом, метод измерения лучевых скоростей позволяет обнаруживать в широком диапазоне орбит лишь планеты-гиганты. «Нептуны» доступны этому методу до расстояний 1-2 а.е. от звезды, а планеты земного типа – только на самых тесных орбитах с малым периодом обращения.

Важным недостатком метода измерения лучевых скоростей родительских звезд является невозможность определить с его помощью точную массу планеты. Измеряя амплитуду колебаний лучевой скорости, можно определить только произведение mp*sin(i), где mp – масса планеты, i – наклонение орбиты планеты к лучу зрения. Если наклонение орбиты неизвестно (как это и бывает в большинстве случаев), метод лучевых скоростей дает только нижний предел на массу планеты.

Транзитный метод

Если наклонение орбиты планеты i к лучу зрения близко к 90° (т.е. система наблюдается практически с ребра), в системе возможны так называемые транзиты – т.е. проходы планеты по диску своей звезды, и затмения – проходы планеты за звездой. Транзитный метод позволяет определить радиус планеты, наклонение ее орбиты к лучу зрения и другие важные параметры системы. При совмещении с методом лучевых скоростей транзитный метод способен дать уникальные результаты – например, определить среднюю плотность планеты (что дает важные ограничения на ее химический состав). Однако влияние земной атмосферы ограничивает возможности наземных фотометрических обзоров лишь большими экзопланетами на тесных орбитах («горячими юпитерами»).

В 2006 и 2009 годах были запущены первые специализированные космические обсерватории COROT (CNES, Национальный центр космических исследований, французское космическое агентство) и Kepler (NASA), предназначенные для поиска транзитов у десятков и сотен тысяч слабых звезд (до 18 звездной величины).

COROT (англ. COnvection ROtation and planetary Transits) — космический телескоп, созданный CNES при участии ESA (Европейское Космическое Агентство). Он был запущен в декабре 2006 года с космодрома Байконур ракетой-носителем «Союз-1 1Б» с разгонным блоком «Фрегат». Телескоп состоял из двух параболических зеркал с фокусным расстоянием 1,1 м (диаметр входного зрачка 27 см). Аппаратура представляла собой широкоугольную камеру на четырех ПЗС-матрицах 2048x4096 пикселей. Номинально длительность миссии составляла 2.5 года, но ее неоднократно продлевали. 2 ноября 2012 года CoRoT внезапно прекратил передавать на Землю научные данные, восстановить связь с ним так и не удалось. С июня 2013 года он официально считается потерянным. К настоящему времени телескоп COROT обнаружил 537 транзитных кандидатов. Из них подтверждена планетная природа 27 транзитных горячих юпитеров, 2 транзитных «сатурнов», 4 «нептунов», одной суперземли (CoRoT-7 b), также открыт один транзитный коричневый карлик. Остальные кандидаты ожидают независимого подтверждения.

Несравненно более успешной стала миссия «Kepler» (NASA). Космический телескоп им. Кеплера вел поиск планет путем длительных высокоточных фотометрических наблюдений более 150 тысяч звезд в фиксированном поле зрения, занимающем телесный угол в 115 квадратных градусов. Эти наблюдения проводились с помощью специализированного телескопа с апертурой диаметром 0,95 м в диапазоне длин волн 400 – 865 нм, в фокальной плоскости которого установлены 42 ПЗС-матрицы размером 2200x1024 пикселя. Проектная дифференциальная фотометрическая точность измерений составила 20 частей на миллион для подобной Солнцу звезды с mV = 12 за 6,5 часов наблюдений. «Kepler» был выведен на гелиоцентрическую орбиту с периодом 372,54 суток, он постепенно удаляется от Земли, отставая от нее в своем орбитальном движении. В мае 2013 года после выхода из строя второго гироскопа (всего их четыре) аппарат перешел в защищенный режим и перестал получать научные данные. Последние технические испытания системы ориентации показали, что восстановление двух отказавших гироскопов невозможно и что работа «Кеплера» может быть продолжена только в упрощенном режиме. К ноябрю 2013 года командой Кеплера объявлено об открытии более 3500 транзитных кандидатов в планеты, планетная природа 170 из них уже подтверждена независимыми методами. Из анализа данных, полученных Кеплером, стало ясно, что планетные системы есть у большинства звезд, что небольшие планеты встречаются гораздо чаще крупных (85% транзитных кандидатов Кеплера имеют радиус меньше радиуса Нептуна), и что, по меньшей мере, у половины звезд красных карликов и у (22 ± 8)% солнцеподобных звезд есть землеразмерные планеты в обитаемой зоне.

Метод тайминга

Метод основан на регистрации вариаций периода какого-либо периодического процесса, связанного со звездой. Так, первая достоверно обнаруженная внесолнечная планетная система у пульсара PSR 1257+12 была найдена путем анализа вариаций периода радиовсплесков, приходящих от этой нейтронной звезды. Стабильность периода вращения одиночного пульсара очень велика, соответственно, стабилен и период всплесков его радиоизлучения. Однако, обращаясь под действием планет вокруг барицентра системы, пульсар меняет свою лучевую скорость, что отражается на наблюдаемой периодичности прихода радиоимпульсов. Исключительная стабильность периода пульсара позволяет обнаруживать рядом с ним планеты с массой порядка массы Луны!

Помимо планет у пульсаров (PSR 1257+12, PSR B1620-26) методом тайминга были обнаружены планеты в тесных затменно-переменных двойных системах, состоящих из красного карлика и горячего субкарлика или белого карлика, вращающихся друг вокруг друга с периодом в несколько часов (NY Virginis, NN Serpentis). Анализ вариаций времени наступления транзитов (когда тусклый красный карлик частично затмевал яркий белый), вызванных гравитационным влиянием планет, позволил обнаружить в этих системах массивные планеты-гиганты, вращающиеся вокруг тесной двойной как целого.

Еще одна область применения метода тайминга – транзитные многопланетные системы. Гравитационное влияние планет друг на друга (и взаимное возмущение орбит) приводит к вариациям времени наступления транзитов, составляющим от нескольких минут до суток. Амплитуда вариаций времени наступления транзитов особенно велика, если планеты находятся вблизи одного из орбитальных резонансов низкого порядка (1:2, 3:2 и т.д.). Метод тайминга транзитов позволил получить важные ограничения на массы планет, входящих в состав многопланетных систем, обнаруженных Кеплером (Kepler-79, KOI-898, KOI-869 и многих других). В случае низкого блеска родительских звезд (видимая звездная величина +15 – +16), делающего невозможным определение масс планет методом измерения лучевых скоростей, метод тайминга транзитов остается единственным способом оценить массу транзитного кандидата и подтвердить его планетную природу.

Гравитационное микролинзирование

Этот метод поиска экзопланет основан на известном эффекте ОТО, заключающемся в искривлении световых лучей в поле тяготения массивного тела. Если звезда-источник, объект-линза и земной наблюдатель оказываются почти точно на одной прямой, объект-линза (им может быть обычная звезда, коричневый карлик, нейтронная звезда или черная дыра) искривляет и фокусирует лучи звезды-источника, что приводит к сильному (иногда в сотни раз!) однократному усилению ее блеска. По виду кривой блеска можно определить массу объекта-линзы и расстояние, как до него, так и до звезды-источника.

Если рядом со звездой-линзой окажется планета, она приведет к дополнительному искривлению световых лучей и появлению на кривой блеска звезды-источника характерной особенности (небольшому дополнительному пику). Анализ кривой блеска позволяет определить массу планеты и ее расстояние до звезды (в проекции на небесную сферу).

На ноябрь 2013 года методом микролинзирования было обнаружено 24 планеты в 22 планетных системах. Важным достоинством метода является возможность обнаруживать с его помощью холодные маломассивные планеты на расстояниях несколько а.е. от звезды, а важным недостатком – отсутствие повторяемости событий микролинзирования и большая (как правило, несколько килопарсек) удаленность обнаруживаемых таким образом планетных систем, сильно затрудняющая их дальнейшее изучение.

Астрометрия

Поиск экзопланет с помощью астрометрии происходит путем анализа влияния невидимых спутников (планет) на видимое движение звезды по небесной сфере. Вращение звезды вокруг барицентра своей планетной системы приводит не только к колебаниям ее лучевой скорости (на чем основан RV-метод), но и к изменению ее точных координат на небесной сфере. Под влиянием невидимых спутников наблюдаемая траектория звезды на небесной сфере становится не прямой, а волнообразной. Пока астрометрический метод серьезно отстает от других методов поиска экзопланет. Для того, чтобы зафиксировать очень малые угловые смещения звезды под действием ее планет, необходима точность, совершенно недостижимая при наземных наблюдениях. Так, угловое смещение Солнца под действием силы притяжения Юпитера при наблюдении с ближайшей звезды (1.33 пк) составит ~4 угловых миллисекунды. Для сравнения, угловое разрешение 10-метрового телескопа им. Кека составляет 0.02 угловых секунд (20 угловых миллисекунд).

В декабре 2013 года ожидается запуск астрометрической миссии GAIA (ESA). КА «Gaia» массой около 2 т, выводимый на орбиту в окрестности точки Лагранжа L2 системы Солнце-Земля, предназначен для проведения массовых высокоточных астрометрических, спектрометрических и фотометрических наблюдений. В рамках миссии планируется определить координаты, параллаксы и собственные движения миллиарда звезд (что составляет 1% полного числа звезд Галактики) с огромной точностью (лучше 10 угловых микросекунд для звезд ярче +10m, лучше 25 угловых микросекунд для звезд ярче +15 m, лучше 300 угловых микросекунд для звезд ярче +20 m). Также будут измерены лучевые скорости 150 миллионов звезд, и проведена их фотометрия в нескольких спектральных диапазонах. Ожидается, что до +20 звездной величины выборка звезд, наблюдаемых «Gaia», будет полна (т.е. будут охвачены все звезды ярче +20 видимой звездной величины). «Gaia» снабжена двумя одинаковыми телескопами с размером главного зеркала 1.45х0.5 м, фокусным расстоянием 35 м и полем зрения 0.7х0.7 градусов каждый, которые повернуты друг относительно друга на фиксированный угол 106.5 градусов. В фокальной плоскости (общей для обоих телескопов) расположены 106 ПЗС-матрицы общей площадью 0.5х1.0 м с общим количеством пикселей около 1.3 миллиардов. Инструмент чувствителен в спектральном диапазоне 330-1000 нм.

Ожидается, что «Gaia» сможет обнаружить несколько тысяч планет-гигантов с орбитальными периодами 1.5-9 лет в радиусе 200-500 пк. Для значительной части открытых планет будут определены орбитальные характеристики и точная масса. Так, по расчетам авторов миссии, в радиусе 200 пк «Gaia» обнаружит более 4700 планет-гигантов, из которых у ~2100 будут определены орбитальные характеристики с точностью лучше 20%.

Прямое наблюдение экзопланет (получение изображений)

Число экзопланет в окрестности Солнечной системы можно оценить из количества звезд в этой области пространства и частоты встречаемости экзопланет, рассчитанной по результатам «Кеплера». Согласно результатам оценки распространенности экзопланет среди звезд поздних спектральных классов, около 50% звезд имеет экзопланеты, причем 20% имеют планеты, схожие с Землей. Это значит, что в радиусе 100 пк находится около 12000 звезд с экзопланетами и около 5000 звезд с планетами земного класса. Между тем сейчас в этой области известно только около 350 звезд, имеющих экзопланеты. Среди них всего для 16 экзопланет в 13 системах получены прямые изображения. Причем все они относятся к газовым гигантам и имеют массу, в несколько раз превосходящую массу Юпитера. Это является следствием того, что такими наблюдениями занимаются на наземных телескопах, не специализирующихся на наблюдении экзопланет. Поэтому можно ожидать, что наблюдения ближайших звезд в режиме коронографа позволят открыть большое количество экзопланет, в том числе сходных по своим параметрам с Землей.
Ссылки:

ИКИ РАН

отдел 53 ИКИ РАН

Совет РАН по космосу - Секция Солнечная система

exoplanet.eu
exoplanets.org
Постоянно обновляемые и наиболее полные интернет-каталоги экзопланет

Литература по экзапланетной тематике
Библиография интернет-каталога exoplanet.eu

Проект "Звездный патруль", 2014
Сайт разработан и поддерживается лабораторией 535 (отдел 53) Института космических исследований Российской академии наук. Полное или частичное использование размещённых на сайте материалов возможно только с обязательной ссылкой на сайт проекта "Звездный патруль"