Широкоугольный инфракрасный телескоп WFIRST, предназначенный для обзорных исследований неба, будет искать планеты за пределами нашей Солнечной системы по направлению к центру Млечного Пути, где как раз находится большинство звёзд. Изучение свойств этих экзопланет поможет нам понять, на что в среднем похожи планетные системы в Галактике и как сами планеты формируются и развиваются.
Объединение результатов исследований WFIRST с результатами миссий “Кеплер” и Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) завершит первую перепись планет, основанную на широком диапазоне масс и орбит планет, что приблизит нас на шаг к открытию обитаемых земных миров за пределами нашей собственной системы.
На сегодняшний день, в большинстве, астрономы обнаружили планеты методом, когда они проходят перед диском своей звезды. Эти события называются транзита ми, а характеризуется они тем, что временно затмевают свет звезды. Данные WFIRST также могут выявлять транзиты, но в первую очередь миссия будет следить за противоположным эффектом – небольшими всплесками излучения, вызванными явлением изгиба света, называемым микролинзированием. Эти события встречаются гораздо реже, чем транзиты, потому что они основаны на случайном выравнивании двух далёких друг от друга и несвязанных между собой звёзд, дрейфующих в пространстве.
Аппарат WFIRST будет смотреть в направлении на центр Млечного Пути. Источник: NASA’s Goddard Space Flight Center/CI Lab
“Сигналы микролинзирования от малых планет редки и кратковременны, но они сильнее, чем сигналы других методов. Поскольку это событие происходит один раз на миллион исследований, ключом к первому поиску планет с низкой массой является исследование сотен миллионов звёзд”, – Дэвид Беннетт, возглавляющий группу гравитационного микролинзирования в Центре космических полетов имени Годдарда.
Кроме того, микролинзирование лучше подходит для поиска планет внутри и за пределами обитаемой зоны, то есть расстояний орбиты звезды, на которых планеты могут иметь жидкую воду на своей поверхности.
Микролинзирование 101
Этот эффект возникает, когда свет проходит вблизи массивного объекта. Всё, что имеет массу, деформирует ткань пространства-времени, подобно следу, который оставляет шар для боулинга, когда его кладут на батут. Свет движется по прямой линии, но если пространство-время искривляется – что происходит вблизи чего-то массивного, например звезды, – он следует по кривой.
Каждый раз, когда для наблюдателя на Земле две звезды сближаются, свет от более далёкой изгибается, проходя через искривленное пространство-время более близкой. Это явление, одно из предсказаний общей теории относительности Эйнштейна, было подтверждено британским физиком сэром Артуром Эддингтоном во время полного солнечного затмения в 1919 году. Если выравнивание звёзд особенно точно, то более близкая звезда действует как естественная космическая линза, фокусируя и усиливая свет от фоновой звезды.
Планеты, вращающиеся вокруг звезды переднего плана, также могут изменять линзированный свет, действуя как собственные крошечные линзы. Искажение, которое они создают, позволяет астрономам измерить массу планеты и расстояние до её звезды-хозяина. Именно так WFIRST будет использовать микролинзирование для открытия новых миров.
Знакомые и экзотические миры
“Пытаться интерпретировать и классифицировать экзопланеты сегодня – это всё равно, что пытаться описать картину, половина которой скрыта. Чтобы полностью понять, как формируются планетные системы, нам нужно найти планеты всех масс на всех возможных расстояниях. Ни один метод не может сделать этого, но микролинзирование WFIRST, в сочетании с результатами “Кеплера” и TESS, покажет гораздо большую часть общей картины”, – Мэтью Пенни, доцент физических и астрономических наук в Университете штата Луизиана в Батон-Руже, который руководил исследованием о возможности микролинзирования WFIRST.
К настоящему времени было обнаружено более 4000 подтвержденных экзопланет, но только 86 из них были обнаружены с помощью микролинзирования. Методы, обычно используемые для поиска других миров, в основном разработаны для таких планет, которые, как правило, сильно отличаются от тех, что мы можем наблюдать в нашей Солнечной системе. Транзитный метод, например, лучше всего подходит для поиска субнептунов – планет, орбиты которых намного меньше орбит Меркурия. Для такой системы, как наша, метод транзитов может не заметить вообще все планеты.
Микролинзирование от WFIRST поможет нам найти аналоги для каждой планеты в нашей Солнечной системе, за исключением Меркурия, чья малая орбита и низкая масса вместе взятые выводят ее за пределы чувствительности миссии. Сначала мы найдем планеты, масса которых равна массе Земли и даже меньше. Возможно, мы сможем обнаружить объекты размером с большие спутники, такие как спутник Юпитера Ганимед.
WFIRST найдёт планеты и для других плохо представленных категорий. Микролинзирование лучше всего подходит для поиска миров, расположившиеся внутри зоны обитания их звезды и дальше. Сюда входят ледяные гиганты, такие как Уран и Нептун, и даже блуждающие планеты – миры, свободно перемещающиеся по галактике, не связанные ни с какими звёздами.
В то время как ледяные гиганты составляют лишь малую часть планет в Солнечной системе, исследование 2016 года показало, что, на самом деле, они могут быть самым распространённым видом планет во всей Галактике. Сначала исследователи проверят эту теорию, которая поможет лучше понять то, какие характеристики экзопланет наиболее распространены.
Скрытые сокровища в ядре Галактики
WFIRST будет исследовать области нашей Галактики, которые ещё не были систематически изучены в поисках экзопланет из-за других целей предыдущих миссий. “Кеплер”, например, исследовал область скромных размеров около 100 квадратных градусов, содержащую около 100000 звёзд, расположившиеся на расстояниях около тысячи световых лет. TESS сканирует всё небо и отслеживает 200000 звёзд, однако их типичные расстояния составляют около ста световых лет. WFIRST будет исследовать область примерно в три квадратных градуса, но будет контролировать 200 миллионов звёзд на расстоянии около 10000 световых лет.
Поскольку WFIRST – это инфракрасный телескоп, он сможет видеть даже сквозь облака пыли, которые блокируют для других телескопов излучение планет в плотной центральной области нашей Галактики. Большинство наземных наблюдений, основанных на микролинзировании, до сих пор проводились в видимом свете, что делает центр Млечного Пути в значительной степени неизведанной территорией экзопланет. Исследование микролинзирования, проведённое в 2015 году с использованием инфракрасного телескопа Соединенного Королевства UKIRT на Гавайях, упрощает работу для WFIRST, уже составив карту этого региона.
Исследование UKIRT предоставляет первые измерения скорости событий микролинзирования в направлении ядра галактики, где звёзды сконцентрированы наиболее плотно. Полученные результаты помогут астрономам выбрать окончательную стратегию наблюдения для проведения микролинзирования WFIRST.
Самая последняя цель команды UKIRT – выявление событий микролинзирования с помощью машинного обучения, что будет жизненно важно для WFIRST. Миссия будет создавать такое огромное количество данных, что исследовать их исключительно на глаз будет непрактично. Для упорядочения поиска потребуется создание автоматизированных процессов.
Дополнительные результаты UKIRT указывают на стратегию наблюдения, которая позволит выявить максимально возможные события микролинзирования, избегая при этом самых плотных пылевых облаков, которые могут блокировать даже инфракрасный свет.
“Наше нынешнее исследование с UKIRT закладывает основу для того, чтобы WFIRST мог осуществить первое специальное исследование микролинзирования из космического пространства. Предыдущие миссии по поиску экзопланет расширили наши знания о планетных системах, и этот первый шаг позволит нам сделать гигантский прыжок в сторону истинного понимания того, как планеты, особенно те, что находятся в обитаемых зонах своих звёзд, формируются и развиваются”, – Саванна Джеклин, астроном из Университета Вандербильта в Нэшвилле, штат Теннесси, она руководила несколькими исследованиями UKIRT.
От коричневых карликов до чёрных дыр
Та же самая съемка эффектов микролинзирования, которая выявит тысячи планет, также обнаружит и сотни других причудливых и интересных космических объектов. Учёные смогут изучать свободно движущиеся тела с массой от массы Марса до массы, в 100 раз превышающей массу Солнца.
Нижняя часть диапазона масс включает планеты, которые были выброшены от своих звёзд и теперь бродят по галактике как планеты-изгои. Далее идут коричневые карлики, которые слишком массивны, чтобы их можно было охарактеризовать как планеты, но недостаточно, чтобы вспыхнуть, как звёзды. Коричневые карлики не светятся так ярко, как звёзды, но мы сможем изучить их в инфракрасном свете через тепло, оставшееся от их образования.
Объекты на более высоком уровне масс включают в себя остатки бывших звёзд – нейтронные звёзды и чёрные дыры. Они возникают, когда массивные звёзды полностью расходуют своё топливо и взрываются. Их изучение и измерение масс поможет учёным лучше понять состояние звёзд перед взрывом, а также провести перепись чёрных дыр звёздной массы.
“Микролинзирование WFIRST не только продвинет наше понимание о планетных системах, оно также позволит провести целый ряд других исследований 200 миллионов звёзд, структуры и формирования внутреннего Млечного Пути, а также населения чёрных дыр и других тёмных, компактных объектов, которые трудно или невозможно изучить каким-либо другим способом”.
По информации НАСА.
Источник: