Включить тёмную тему

Как ученые “охотятся” за планетами земного типа в системе Альфа Центавра

В скором будущем астрономы попытаются узнать, есть ли в ближайшей к нам звездной системе планеты, пригодные для жизни. Помогут им в этом новые технологии. Разбираемся, какие.

В июле NASA сообщило, что с 1992 по июль 2019 года ученым удалось обнаружить чуть более 4000 экзопланет — космических тел, находящихся за пределами Солнечной системы. В каталог вошли миры, которые вращаются вокруг небольших нейтронных звезд и белых карликов, а также экзопланеты в самом центре Млечного Пути и “одинокие путники” — так называемые планеты-сироты, не привязанные гравитационно ни к одной звезде.

К большому сожалению, в каталоге отсутствуют планеты земного типа из нашей соседки — звездной системы Альфа Центавра (за исключением “суперземли” Proxima Centauri b), и не из-за того, что астрономы не захотели включать в список эти тела, а потому что эта система весьма специфична для поиска (об этом чуть ниже). Землеподобные миры в Альфа Центавра остаются для ученых “белыми пятнами”, но технологии совершенствуются, и совсем скоро эти “белые пятна” превратятся в видимые для телескопов крупные точки, удобные для наблюдений.

“Многие ученые заинтересованы в поиске пригодных для жизни экзопланет системы Альфа Центавра. С каждым годом этот интерес возрастает”, — говорит астрофизик Руслан Беликов из Исследовательского центра Эймса NASA

В последние несколько недель команда Беликова и группа, возглавляемая астрономом Маркусом Каспером, сотрудником Европейской южной обсерватории, пытались найти следы землеподобных миров в системе Альфа Центавра с помощью гигантских телескопов в Чили. Обнаружить планеты им не удалось. Сейчас исследователи готовятся к очередному “штурму”, они попробуют наблюдать за экзопланетами посредством технологии Project 1640 — объединением высокоточных приборов и программного обеспечения, которые как бы “ накладывают” на звезды “темные пятна”, позволяющие засечь потенциальную планету.

Если и эти усилия окажутся напрасными, инженеры команд приступят к разработке специальных недорогих спутников-телескопов, призванных расширить поле наблюдения за космическими телами в Альфа Центавра. Аппараты будут оборудованы специальной установкой, которая позволит смягчать интенсивность свечения звезд, мешающее земным приборам разглядеть в космосе небольшие тела, наподобие планет земного типа. Ученые надеются, что их разработку профинансирует NASA, но в случае отказа агентства, у Беликова и Каспера есть запасной план: они обратятся к двум частным проектам — фонду российского миллиардера Юрия Мильнера Breakthrough Initiatives, и “народной” краудфандинговой программе Project Blue, последний проект серьезно настроен на исследование пригодных для колонизации планет в Альфа Центавра.

“Безусловно, мы будем рисковать, потому что точно не знаем, увидим мы там землеподобные миры или нет. На мой взгляд, ценность и значимость для науки снимка Земли 2.0 стоит того чтобы попытать счастье”, — говорит Беликов

ПРАКТИЧЕСКИ БЛИЗНЕЦЫ

Альфа Центавра расположена в 4,37 световых лет от нас и давно привлекает внимание ученых. Во-первых, она находится достаточно близко от Земли, что позволяет, хотя бы даже гипотетически, в будущем отправить туда колонистов. Во-вторых, условия в этой системе очень подходящие для того, чтобы там могли существовать землеподобные планеты. В Альфа Центавра есть три звезды, две из которых — Центавра А и Центавра В, напоминают Солнце.

Фото: Wikipedia / Стрелкой указано место звездной системы Альфа Центавра в созвездии Центавра

Первое светило практически близнец нашей звезды (имеет приблизительно схожий состав, размер, светимость и температуру). Второе немного меньше и холоднее. Центавра А и Центавра В старше Солнца, по разным оценкам, на 1-1,5 миллиарда лет, это значит, что если на планетах вокруг этих светил возникла жизнь, то она могла давно эволюционировать.

Третья звезда системы — Проксима Центавра, представляет собой тусклый красный карлик. В 2016 году у этого светила была открыта экзопланета Проксима Центавра b — “суперземля” (класс планет, масса которых больше Земли, но меньше газовых гигантов), находящаяся в так называемой “зоне обитаемости” — области, где планета получает от своей звезды такое количества тепла, что вода на ее поверхности не превращается в лед, а существует в жидком состоянии. Пока ученые мало что знают об этом теле, непонятно, является Проксима Центавра b скалистым миром или нет, имеет ли она подходящую для жизни атмосферу.

Несмотря на благоприятные условия в системе Альфа Центавра, при которых возможно существование землеподобных миров, исследовать ее достаточно трудно. Один из наиболее успешных способов поиска экзопланет — метод доплеровской спектроскопии, или метод лучевых скоростей*, который используется для поиска экзопланет больших масс, расположенных относительно близко от нас. Этот метод основан на движении светила под действием вращающейся вокруг него планеты (измерении лучевой скорости) и заключается в проведении спектрального анализа излучаемого света (в конце статьи вы можете подробно почитать об этом методе).

Для планетарной системы доплеровский способ обнаружения землеподобных миров подходит хорошо, а вот когда речь идет о звездной системе, например, такой как Альфа Центавра, он становится практически бесполезным. Дело в том, что на ночном небе звезды Альфа Центавра А и Альфа Центавра В видны практически как одно светило, то есть их свет смешивается и скрывает колебания звезды.

Астроном Лили Чжао, молодой “охотник” за экзопланетами из Йельского университета, подвела итоги десятилетних измерений лучевых скоростей звезд, выполненных разными учеными, и пришла к выводу, что у Альфы Центавра А нет планет, массой больше 50 масс Земли, а у Альфы Центавра В нет планет, массой больше 8 масс Земли.

Из-за близости звезд А и B, а их разделяет расстояние чуть больше 20 расстояний от Земли до Солнца, планеты там должны существовать практически “под боком” у каждого светила, то есть, как считают ученые, находиться не более чем в 2.5 раза дальше, чем Земля от Солнца.

Любые гиганты массой с Юпитер, которые вращаются по орбитам в этих “тесных областях” вокруг солнцеподобных звезд, своей гравитацией должны были бы уже давно уничтожить все меньшие миры земного типа, лежащие в “зоне обитаемости”. Но на сегодняшний день ни одно наблюдение не показало каких-либо признаков газовых гигантов в системе Альфа Центавра.

“Мы знаем, что там нет больших планет, которые могли бы вытеснить миры из так называемой зоны жизни”, — говорит Беликов. Однако ученого все же беспокоит возможное существование в системе субнептунов — тел, размеры которых находятся в промежутке между Нептуном и Землей. “Эти планеты могут обладать достаточной массой, чтобы подпортить нам картину и исключить существование Земли 2.0”

Что же касается самих землеподобных миров, то их наличие в этой звездной системе пока остается загадкой. Предпринятые ранее попытки найти эти тела не увенчались успехом. В 2012 году несколько астрономов из Женевской обсерватории опубликовали статью, в которой сообщали, что им удалось обнаружить потенциально пригодный для жизни мир вблизи звезды Альфа Центавра B, но позже факт существования этой планеты был опровергнут независимым исследованием.

Фото: Wikipedia / Сравнение размеров Солнца, Альфа Центавра А, Альфа Центавра В и Проксима Центавра 

Чжао считает, что следующие попытки поиска пригодных для жизни планет вокруг звезд в системе Альфы Центавра принесут куда больше пользы. С одной стороны, расстояние между звездами A и B увеличивается, и к 2020 году будет достаточным, чтобы новые мощные телескопы могли наблюдать за каждой звездой в отдельности. С другой стороны, старые спектрографы, по типу HARPS, который использовали астрономы из Женевской обсерватории в 2012 году, уходят в прошлое, и им на смену приходят новые инструменты, более чувствительные к колебаниям звезды.

В настоящий момент Чжао заканчивает работу над созданием спектрографа высокого разрешения Extreme Precision Spectrometer (EXPRES), который в ближайшее время установят в обсерватории Лоуэлла в Аризоне на телескоп Discovery. Подобный прибор под названием ESPRESSO в прошлом году был установлен на Очень Большой Телескоп (VLT) в Чили. Два этих спектрографа могут регистрировать “раскачивания” звезды 10 сантиметров в секунду, это в 10 раз точнее, чем у их предшественников, то есть регистрация проходит на уровне, необходимом, чтобы уловить “рывок”, вызванный планетой, сопоставимой с массой Земли (или чуть больше), вращающейся вокруг любой из звезд Альфа Центавра.

МАЯКИ И СВЕТЛЯЧКИ

Если регистрация “раскачивания” звезды посредством новых спектрографов окажется успешной, и ученые найдут пригодный для жизни мир, знания о нем ограничатся лишь его массой, периодом вращения вокруг своей звезды, радиусом. О каких-либо его физических свойствах мы вряд ли узнаем. Единственный способ полностью изучить новый мир — это прямое наблюдение за ним.

Все исследователи Альфа Центавра сосредоточены не только на том, чтобы найти землеподобную планету, но и чтобы запечатлеть ее. Получение прямых изображений таких планет — очень сложная задача, так как отраженный ими свет родительских звезд в миллиарды раз слабее, чем свет, идущий к нам от самих этих светил. Пока еще у ученых не получалось получить снимок землеподобной планеты, вращающейся вокруг одной из двух солнцеподобных звезд, но попытки предпринимались и не раз.

“Увидеть экзопланету рядом с яркой звездой — все равно что пытаться разглядеть светлячка рядом с маяком в нескольких сотнях километров”, — говорит Франк Маркис из Института SETI, руководитель научных работ в Project Blue. — “В случае с Альфа Центавра мы имеем два маяка, поэтому наблюдать становится еще сложнее”

Руслан Беликов и его коллеги предприняли ряд попыток, чтобы зафиксировать следы землеподобных планет в Альфа Центавра. Исследования велись при помощи высококонтрастной камеры Gemini Planet Imager, установленной на телескопе Gemini South Telescope в обсерватории Джемини в Чили. Первая попытка была в прошлом году, хотя астрофизик ничего не обнаружил, он говорит, что и это успех, хоть и маленький, так как признаков, указывающих на существование планет массой с Нептун, в системе Альфа Центавра пока нет. Вторая попытка была предпринята этим летом, но наблюдениям помешали погодные условия, и теперь Беликов отложил исследования до следующей весны.

Фото: NASA / Слева Альфа Центавра А, справа Альфа Центавра В. Снято в 2000-х годах широкоугольной камерой WFPC2, установленной на телескопе Хаббл

Беликов не единственный специалист, пытающийся обнаружить следы экзопланет в Альфа Центавра. Его коллега Маркус Каспер ведет подобные поиски. Для наблюдений Каспер использует спектрометр Очень Большого Телескопа и тепловизор для средневолнового инфракрасного диапазона VISIR (после обновления получил название NEAR). Этот инструмент проектировался специально для “охоты” на экзопланеты в системе Альфа Центавра, он может создавать «искусственное затмение», блокируя большую часть света от ближайших звезд, и ловить инфракрасное излучение, исходящее от теплой поверхности планеты.

Во время первого наблюдения на NEAR в конце мая и начале июня команде Каспера, как и группе Беликова, мешала плохая погода. Тем не менее, исследование удалось провести (длилось 100 часов) и собрать 6 терабайт данных, на момент написания статьи они пока не обработаны.

“Наш прибор чувствителен к экзопланетам, радиус которых в два с лишним раза больше радиуса Земли”, — говорит Каспер. — “Первые результаты исследования мы планируем опубликовать в октябре”

Если результаты окажутся значимыми, Каспер проведет еще одно исследование в марте 2020 года.

ОЖИДАТЬ ЛИ НАМ ПРОРЫВА

Минимальный размер планеты, который может зарегистрировать NEAR в системе Альфа Центавра — это тело вдвое больше Земли, к слову, такой объект вполне может иметь плотную ядовитую атмосферу, неприемлемую для жизни.

“Инструментов, способных найти аналог Земли, я имею ввиду идентичный по размерам, по сути, у нас пока нет, но технологии совершенствуются, и скоро мы будем смотреть на эти миры через более мощные приборы”, — говорит Оливье Гийон, астроном из Аризонского университета и ведущий ученый программы Breakthrough Watch, спонсируемой российским миллиардером Юрием Мильнером

Одним из способов поиска землеподобных планет в ближайшей к нам звездной системе может стать запуск специальных зондов. Нечто подобное предлагал Беликов пару лет назад. Он выдвигал концепцию Alpha Centauri Exoplanet Satellite (ACESat), предполагающую создание аппарата-телескопа массой 45 кг и с диаметром зеркала 30-45 см. Помимо телескопа на станции должен быть установлен коронограф — специальный блокировщик, смягчающий свечение Альфа Центавра А и Альфа Центавра В.

В 2014 году NASA выделило некоторое количество средств на реализацию ACESat, но статус миссии ему не присвоило. “Технология тогда еще не была зрелой, но сейчас я ее усовершенствовал”, — объясняет Беликов. Астрофизик обратился в NASA с новой концепцией Alpha Centauri Direct Imager (ACEND) и пока ждет ответа. Параллельно Беликов работает над аналогичным проектом вместе с инженерами из Project Blue — командой, которая собирает пожертвования от всех желающих на создание орбитального телескопа.

Спутник, который создает Project Blue, будет стоить около $50 млн. По меркам профильной индустрии, это не так уж много, однако собрать такие средства для “народной миссии” очень не просто. Первоначально Project Blue планировали запустить свой телескоп в 2021 году, но дату старта, похоже, придется перенести.

“Я не думаю, что при нынешнем состоянии финансирования мы уложимся в срок”, — объясняет Маркис. — “Нам нужна поддержка со стороны богатого человека или даже группы людей, чтобы улучшить технологию и наконец-то приступить к созданию инструмента”

Другой подобный проект по поиску землеподобных планет в Альфа Центавра — Breakthrough Watch, также работает над созданием телескопа с коронографом, похожего на ACESat, эту миссию финансирует российский миллиардер Юрий Мильнер.

Наблюдением за системой Альфа Центавра будет заниматься и небольшой космический телескоп TOLIBOY (после него в космос отправят телескопа TOLIMAN), который будет искать экзопланеты, используя астрометрию. Запуск запланирован на 2021 год.

Сейчас Беликов работает над внедрением прибора ACESat в широкодиапазонный инфракрасный телескоп Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST), который должен отправиться в космос в 2020-х годах. Его коллега Каспер трудится над созданием технологии, похожей на ту, что использовалась в NEAR, чтобы потом применить ее к новому спектрографу METIS (Mid-Infrared ELT Imager and Spectrograph). Этот инструмент будет стоять на Чрезвычайно большом телескопе, строящемся в Чили.

Фото: NASA / Система Альфа Центавра на ночном небе. Изображение составлено из данных, полученных рентгеновской обсерваторией Чандра

При помощи новых приборов ученые надеются заполнить пробелы в исследовании системы Альфа Центавра. “Все те данные, которые у нас есть, указывают на наличие землеподобных миров, вращающихся вокруг двух звезд, похожих на Солнце. Мы должны проверить всю эту информацию”, — объясняет Беликов.

Ученый говорит, что если в Альфа Центавра не окажется планет, похожих на нашу, это будет означать, что такие тела в космосе встречаются не так часто, как предполагают специалисты. Возможно, двойные и тройные звездные системы, которые очень распространены во Вселенной, не являются местом, где может развиться и поддерживаться жизнь. “Наша родная планета может оказаться случайным и редким островком во враждебном космосе”, — заключает Беликов.

«Если мы все же обнаружим Землю 2.0 с континентами и океанами, это будет потенциально обитаемый мир, расположенный с нами по соседству”, — говорит Маркис. — “Открытие второй Земли означало бы, что их в нашей Галактике огромное количество. Лично я считаю, что поиск землеподобных миров станет самым важным направлением в астрономии в следующем столетии”.

Друзья, у нас есть Telegram канал, там мы публикуем новости и лонгриды на темы космоса, истории и т.д. Публикуем не часто, но они есть. Будем рады, если вы нас поддержите)) Спасибо!

Данный материал является переводом статьи  «The Hunt Is On for Alpha Centauri’s Planets», опубликованной в Scientific American 5 августа 2019 года.

*Звезды, которые находятся от нас на больших расстояниях имеют очень маленький видимый диаметр и на ночном небе выглядят точками. А теперь представьте, как сложно увидеть рядом с такой точкой другую точку, которая будет в десятки раз меньше в диаметре (так выглядят планеты в сравнении со звездами). Здесь на помощь астрономам приходит метод лучевых скоростей, основанный на эффекте Доплера — изменении длины волны излучения вследствии движения звезды относительно наблюдателя. Например, если объект движется от нас, то длина волны излучаемого им света начнет увеличиваться и смещаться к красной области спектра (волна красного цвета самая длинная), если приближается к нам — длина волны начнет уменьшаться и смещаться к синей области спектра (ближе к фиолетовому цвету — самой короткой волне). Когда ученые наблюдают с Земли за далекой звездой через спектрограф, прибор регистрирует электромагнитные волны, излучаемые ею, и раскладывает их в цветовой спектр. Но когда излучение проходит через более холодные слои атмосферы звезды, оно поглощается, и в спектре появляются черные полосы, или линии Фраунгофера, которые соответствуют химическим элементам, находящимся в атмосфере звезды.

Если у светила есть своя планетная система — то оно вместе с ней будет вращаться вокруг общего центра масс. Планета как бы «раскачивает» звезду, светило начинает двигаться по своей собственной небольшой орбите в ответ на притяжение планеты (чем больше масса тела, тем сильнее оно будет “раскачивать” звезду, если масса объекта маленькая, то “раскачивания” могут быть всего десятки метров в секунду). Если смотреть через спектрограф на подобную систему, то можно увидеть, как линии Фраунгофера станут смещаться. Когда звезда приближается к нам, то, по эффекту Доплера, линии будут смещаться в синюю часть спектра, если удаляется — то сместятся в красную часть. Именно смещение спектральных линий звезды даст понять, что она вращается вокруг какого-то общего центра масс, а значит, рядом с ней находится еще как минимум одно небесное тело.

Одним из главных недостатков этого метода является то, что он не подходит для звезд с пятнами. На поверхности светила могут возникать пятна, которые вызывают изменения в профиле линии поглощения, из-за этого может показаться, что звезда движется к нам или от нас. Это “движение” исследователям ошибочно могут принять за наличие экзопланет.

ИСТОЧНИК: https://severnymayak.ru/2019/08/09/kak-uchenye-oxotyatsya-za-planetami-zemnogo-tipa-v-sisteme-alfa-centavra/

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

17
Войдите, чтобы читать и оставлять комментарии.
Показать скрытые комментарии

[скрыть] Последние комментарии

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам:

[X]
Если не получается зайти отсюда, попробуйте по ссылке.