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

Звездный Патруль. Фотометрия

Транзитный метод
Транзитный метод при внеатмосферных наблюдениях
Возможные стратегии наблюдений транзитов
Выбор целей фотометрических наблюдений экзопланет

Транзитный метод

Одним из наиболее информативных методов поиска и изучения внесолнечных планет является транзитный метод. Если наклонение орбиты внесолнечной планеты близко к 90 градусам (система наблюдается практически «с ребра»), то в системе «звезда-планета» возможны транзиты – т.е. проход планеты по диску своей звезды, приводящий к регулярному незначительному ослаблению ее блеска. Анализ кривой блеска позволяет определить радиус транзитной планеты (в долях радиуса звезды), ее орбитальный период, эксцентриситет орбиты и многие другие орбитальные параметры. В сочетании со спектроскопическими методами (например, методом измерения лучевой скорости звезды) транзитный метод позволяет также определить среднюю плотность планеты (а значит – и оценить ее состав), узнать наклон ее орбиты к оси вращения звезды, ее альбедо на разных длинах волн, и пр.

Важным недостатком транзитного метода является низкая вероятность транзитной конфигурации. По порядку величины эта вероятность составляет R/a, где R – радиус звезды, a – большая полуось орбиты планеты. Отсюда следует, что транзитный метод наиболее чувствителен к планетам на тесных орбитах. Для звезды – аналога Солнца – и большой полуоси орбиты ~ 0,05 а.е. (типичная величина для горячих юпитеров) геометрическая вероятность транзитной конфигурации составляет примерно 10%, а для аналога Земли (большая полуось орбиты ~1 а.е.) эта вероятность падает до 0,5%.

Транзитный метод при внеатмосферных наблюдениях

Наблюдение транзитов экзопланет проводится как наземными телескопами, так и с помощью космических телескопов, специально созданных для поиска транзитных экзопланет. С декабря 2006 года по ноябрь 2012 года на околоземной орбите работал телескоп COROT (ESA), обнаруживший 537 транзитных кандидатов, планетная природа 34 из них подтверждена независимыми методами. Несравненно более успешной явилась миссия Kepler (NASA). Запущенный в марте 2009 года на гелиоцентрическую орбиту, он проработал в штатном режиме до мая 2013 года, обнаружив около 3600 транзитных кандидатов, 167 из которых было подтверждено в качестве планет (причем число подтвержденных планет быстро увеличивается). Следующим проектом, посвященным поиску транзитных планет у ярких звезд, является миссия TESS (NASA), запуск которой ожидается в 2017 году. Остальные проекты пока не утверждены и не профинансированы, их перспективы остаются туманными. Глубина транзита (т.е. величина падения блеска звезды) пропорциональна квадрату отношения радиуса планеты к радиусу звезды. Для звезды – аналога Солнца – и планеты-гиганта, сравнимого по размеру с Юпитером (11,2 земных радиусов), эта глубина составляет около 1% (= 10000 ppm, где ppm – одна миллионная доля). Для нептуна (4 земных радиуса) эта величина падает до 0,13% (1300 ppm), а для планеты – аналога Земли – до 0,0084% (84 ppm). Чтобы надежно зафиксировать такое крайне незначительное ослабление блеска звезды, нужна фотометрическая аппаратура высочайшей точности.

Многочисленные проекты, посвященные наземным поискам транзитных экзопланет (SuperWASP, HATNet, и др.), обнаруживают только транзитные планеты-гиганты, хотя, согласно последним данным, полученным космическим телескопом «Кеплер», планет меньшего размера (нептунов и суперземель) гораздо больше. Это связано с влиянием земной атмосферы (а именно, с флуктуациями плотности воздуха, приводящим к флуктуациям коэффициента преломления) – хорошо известным «мерцаниям» звезд. Вывод телескопа за пределы земной атмосферы исключает этот источник шума и резко улучшает точность полученных кривых блеска.

Возможные стратегии наблюдений транзитов

При поисках планет транзитным методом следует учитывать низкую вероятность транзитной конфигурации. Чтобы планета прошла по диску своей звезды, необходимо, чтобы наклонение ее орбиты мало отличалось от 90 градусов, в противном случае планета пройдет выше или ниже диска звезды, и транзит не будет наблюдаться. Чтобы обойти эту трудность, возможно использовать две стратегии наблюдений.

Первая стратегия заключается в широкоугольном наблюдении поля звездного поля (т.е. в построении кривых блеска сразу множества звезд) в предположении, что среди множества звезд хотя бы у некоторых орбиты планет будут ориентированы относительно земного наблюдателя «транзитным» образом, и возможно зафиксировать транзиты. Этой стратегии придерживаются широкоугольные наземные обзоры, такие, как SuperWASP, HATNet и др., а также миссия Кеплер, наблюдавшая звездное поле общей площади около 105 квадратных градусов.

Другая стратегия, предлагаемая в КЭ «Звездный патруль» – наблюдение непосредственно только тех звезд, у которых уже были методом лучевых скоростей обнаружены планетные кандидаты с пока неизвестным наклонением орбиты. В истории экзопланетных наблюдений уже не раз бывали случаи, когда планета открывалась методом лучевых скоростей, а потом подтверждался ее транзит по диску звезды, например, HD 209458 b, GJ 436 b, 55 Cancri e и т.д. Аппаратные требования к инструментам для каждой из двух стратегий наблюдений различаются кардинальным образом.

В первом случае необходим светосильный телескоп с максимально широким полем зрения и точнейшей ориентацией в пространстве. Во втором – телескоп с возможно более узким полем зрения, чтобы кривую блеска целевой звезды не «загрязняли» близкие звезды фона. Для телескопа миссии «Звездный патруль», ориентированной на узконаправленные коронографические наблюдения экзопланет, идеально подходит вторая стратегия (поиск транзитов уже известных планетных кандидатов).

Выбор целей фотометрических наблюдений экзопланет для узконаправленного телескопа

В качестве целей фотометрической части миссии «Звездный патруль», во-первых, разумно выбрать звезды, для планет которых вероятность транзитной конфигурации максимальна. Это горячие земли и суперземли, обнаруженные методом измерения лучевых скоростей, такие, как HD 156668 b, HD 154088 b, HD 39194 b и др. Ожидаемые размеры планет у этих звезд слишком малы, чтобы их транзиты можно было обнаружить с Земли. Обнаружение транзитов любой из этих планет позволит определить их истинную (а не минимальную) массу, среднюю плотность, а в сочетании с высокоточными спектральными наблюдениями – состав и температурный профиль атмосфер, что, в свою очередь, поможет прояснить вопросы их образования и эволюции.

Второй привлекательной целью могли бы стать ближайшие звезды, в большинстве своем являющиеся красными карликами. Согласно данным, полученным методом измерения лучевых скоростей, от 30 до 90% красных карликов имеют планетные системы. Уже известно, что планетные системы красных карликов, как правило, весьма компактны и включают в себя небольшие планеты (экзонептуны и суперземли). Наземные транзитные поиски планет возле М-звезд крайне затруднены вследствие замывающего влияния земной атмосферы (так, за несколько лет наблюдений наземный транзитный обзор MEarth сумел обнаружить только одну планету у красного карлика GJ 1214). Заатмосферные транзитные наблюдения ближайших звезд позволят обнаружить планеты земного типа, в том числе находящиеся в обитаемой зоне – открытие, значение которого трудно переоценить.
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"