Нестандартный метод открытия экзопланет. Дмитрий Твардовский

Нестандартный метод открытия экзопланет. Дмитрий Твардовский 1

Статья на конкурс

Автор: Дмитрий Твардовский, студент 3 курса факультета математики, физики и информационных технологий ОНУ им. Мечникова

Нестандартный метод открытия экзопланет. Дмитрий Твардовский 2

Как известно современной науке, звёзды редко появляются поодиночке. Практически всегда у них есть компаньон – чаще всего планета или другая звезда, иногда бывают белые карлики, нейтронные звёзды  и, совсем изредка – даже чёрные дыры. Это неизбежное следствие из закона сохранения момента импульса – одиночные звёзды были бы в большинстве случаев разорваны собственным вращением. Компаньон позволяет преобразовать большую часть момента импульса во вращение этих двух тел друг относительно друга, а уже остатки становятся собственным вращением. Самыми распространёнными и часто наблюдаемыми являются именно пары звезда-звезда. Такие системы из двух звёзд называют двойными звёздами. Согласно различным исследованиям, их количество составляет от 60% до 80% всех звёзд на небе.

Как уже было сказано, в двойных системах звёзды вращаются и их орбита может располагаться так, что звёзды поочерёдно будут проходить одна перед другой относительно наблюдателя, затмевая друг друга полностью либо частично. Такая система называется затменной двойной и на данный момент известно несколько десятков тысяч подобных систем различных подтипов. 

Нестандартный метод открытия экзопланет. Дмитрий Твардовский 3
Рис 1. Схематическое изображение зависимости затмений в двойной затменной системе и графика суммарной яркости системы от времени.

Поскольку звёзды расположены от нас невероятно далеко, то невооружённым глазом и подавляющим большинством маленьких телескопов непосредственно различить обе звезды системы отдельно невозможно, на это способны лишь самые крупные наземные инструменты и то – для весьма небольшого числа звёзд. Поэтому для наблюдателя при затмении изменяется именно общая видимая яркость системы. Известным ещё из древности примером затменной двойной звезды такого типа является Алголь, вторая по яркости звезда в созвездии Персея. Тысячи лет люди могли наблюдать лишь изменения общей яркости звёздной системы и лишь недавно астрономы при помощи мощнейших современных инструментов смогли раздельно увидеть обе звезды. И внезапно оказалось, что неподалёку от них вращается ещё и третья звезда, меньше и тусклее двух других.

При проведении более детальных исследований удалось обнаружить, что несколько процентов всех известных звёзд являются тройными, причём третий компонент этой системы может быть как звездой, так и планетой. А экзопланеты (планеты за пределами солнечной системы) — это необычайно интересная для современной астрономии тема. Однако есть много сложностей обнаружения планет, поскольку они в десятки, сотни, а то и тысячи раз меньше и тусклее звёзд, вокруг которых вращаются. Поэтому наблюдать планеты непосредственно очень сложно – это всё равно, что пытаться разглядеть светлячка летающего возле, в лучшем случае, мощной автомобильной фары с расстояния в несколько десятков километров.

Если планета достаточно массивная, то она своим вращением заставляет двигаться и звезду (по третьему закону сэра Исаака Ньютона) – так движение звезды можно зарегистрировать при помощи спектроскопических наблюдений или по точным измерениям координат звезды в течение долгого промежутка времени. Другим, куда более распространённым и дешёвым методом является наблюдение прохода планеты между звездой и наблюдателем. В таком случае произойдёт затмение, аналогичное таковому в затменной двойной системе, только падение суммарной яркости будет не таким заметным (так называемый транзитный метод).

Теперь к тому, что я начал непосредственно изучать ещё со старших классов и над чем работаю до сих пор. Для затменных двойных звёзд известен ещё один довольно эффективный метод регистрации экзопланет. Дело в том, что период вращения таких звёзд очень стабилен и не меняться на протяжении десятков и сотен лет. При достаточной длительности наблюдений он вычисляется с огромной точностью — вплоть до тысячных долей секунды. А вот циклические изменения периода могут свидетельствовать о том, что в двойной системе не всё так гладко и там присутствует третий объект. К тому же, исходя из законов небесной механики и некоторых необходимых наблюдений, легко вычисляются массы звёзд двойной системы. Сами изменения периода отслеживаются по смещению моментов затмений, которые люди научились вычислять с большой точностью (спасибо выдающимся математикам 18-21 веков и современной вычислительной технике). По степени и скорости изменения периода можно оценить массу объекта, а форма этих изменений позволяет получить параметры его орбиты и, в перспективе, даже вычислить, в какую область на небе смотреть, чтобы увидеть этот объект.

К сожалению, на данный момент человечество располагает в основном большим количеством старых низкокачественных наблюдений — в ту эпоху ещё не было электронных приёмников звёздного света и яркость звёзд измерялась «на глаз» или по фотопластинкам. Поэтому подавляющее большинство регистрируемых таким образом объектов – маленькие или средние по размерам и массе звёзды. Лишь самые современные наблюдения дают достаточную точность для обнаружения планет. К счастью, в последние пару лет было выложено огромное количество данных невероятно высокого качества, полученных космическими телескопами: CoRoT, Kepler, Kepler K2, TESS и другими. На данный момент наиболее активно работает телескоп TESS. Это первое в истории человечества наблюдение каждой достаточно яркой звезды единым высококачественным инструментом. Продолжительность наблюдений составляет (беспрерывно) от 27 до 350 суток. Объём полученных им данных уже превышает полтерабайта, а количество отснятых звёзд недавно перевалило за 300 тысяч. Причём, абсолютно все данные бесплатны и доступны каждому. 

Нестандартный метод открытия экзопланет. Дмитрий Твардовский 4
Рис 2. Космический телескоп TESS © NASA

Также регулярно передают на Землю данные группа мини-спутников BRITE-constellation: 6 одинаковых кубиков с ребром в четверть метра, оборудованных солнечными батареями, встроенными компьютерами, передатчиками и трёхсантиметровыми телескопами. Казалось бы, что такое три сантиметра на Земле – это как морская подзорная труба. Но в космосе, в отсутствие атмосферы, даже такие крохи способны выдавать фантастические результаты и беспрерывно вести наблюдения нескольких тысяч самых ярких звёзд.

Нестандартный метод открытия экзопланет. Дмитрий Твардовский 5
Рис 3. Модель одного из спутников миссии BRITE-constellation © Canada Space Agency & UTIAS Space Flight Laboratory

В ближайшие 10 лет планируется запустить в околоземное пространство ещё несколько инструментов с похожими целями: Cheops, PLATO, 6.5-метрового гиганта James Webb Space Telescope и ещё несколько менее масштабных миссий. Таким образом, данный способ открытия экзопланет и третьих звёзд в затменных двойных системах может стать очень актуальным и востребованным. А вот что делать с открытыми экзопланетами: использовать их для колонизации, добычи ресурсов или в качестве космодромов дозаправки при дальнейшей космической экспансии человечества – уже перспективы будущих поколений.

Нестандартный метод открытия экзопланет. Дмитрий Твардовский 6
James Webb Space Telescope © NASA
Нестандартный метод открытия экзопланет. Дмитрий Твардовский 7
Телескоп Cheops
Нестандартный метод открытия экзопланет. Дмитрий Твардовский 8
Телескоп PLATO © ESA

Добавить комментарий