Как определяют радиус и массу экзопланет? Какие спутники придут на смену «Кеплеру»? Почему детально изучать экзопланеты можно только с помощью наземных телескопов? На эти и другие вопросы отвечает доктор физико-математических наук Сергей Попов.

Астрофизика экзопланет — очень хорошая область для тех, кто только начинает работать в астрофизике. Потому что интересно не просто заниматься астрономией, изучать черные дыры, а интересно действительно получать результаты. И экзопланетные исследования в ближайшие десятилетия будут развиваться очень бурно, и некоторые направления исследований можно предсказать. Связано это с тем, что большие прорывы часто осуществляются с помощью действительно дорогих серьезных установок, которые долго проектируются, долго обсуждается, кто будет давать деньги на эти приборы, и поэтому они планируются заранее. Сейчас речь идет о планировании инструментов, которые заработают как минимум через 5–7 лет.

Что планируется делать? Во-первых, будет идти широкий фронт исследований, благо в экзопланетной астрофизике можно работать с помощью маленьких инструментов. Но есть четкие приоритеты. Например, бо́льшая часть экзопланет и огромное число кандидатов в экзопланеты открыты с помощью спутника «Кеплер» — он наблюдает прохождение планеты по диску звезды. При этом удается определить радиус экзопланеты, но не массу. Мы бы очень хотели знать и то и другое вместе.

Поэтому очень важно осуществлять программы по определению масс экзопланет, которые уже открыты спутником «Кеплер». Делать это проще, поскольку вы знаете, с каким периодом двигается экзопланета, знаете, когда звезда должна двигаться к вам, когда от вас, и проще выделить очень слабый сигнал на фоне различных шумов. Тем не менее разрабатываются специальные программы, строятся новые инструменты, в том числе для крупных телескопов, основная задача которых — определять массы экзопланет, обнаруженных «Кеплером».

Рекомендуем по этой теме:
48702
Экзопланеты

Есть и обратный процесс. С помощью наземных инструментов для большого числа звезд обнаружены экзопланеты и определены их массы, поскольку увидели, как звезда двигается вокруг центра масс, мы знаем массу звезды, значит, можем определить массу планеты, неизвестное — радиус экзопланеты. Будет запущен специальный спутник Европейским космическим агентством, который называется Cheops, он будет определять радиусы тех экзопланет, для которых уже измерены массы. Здесь, очевидно, видна преемственность: лучшие наземные программы по определению масс экзопланет — это европейские программы, которые осуществляются на телескопах VLT, поэтому не удивительно, что именно Европейское космическое агентство будет двигаться дальше в этом направлении и получать дополнительную информацию по своим, условно говоря, экзопланетам.

Такая же примерно преемственность видна у американского космического агентства NASA.

Следующий большой проект, следующий спутник, который придет на смену «Кеплеру», называется TESS. Он будет так же, как «Кеплер», искать экзопланеты около близких, достаточно ярких звезд. Но будет принципиальная разница в методике наблюдений. «Кеплер», грубо говоря, смотрел все время в один и тот же кусочек неба и наблюдал несколько сот тысяч звезд. Теперь же задача состоит в том, чтобы искать экзопланеты по всему небу, но выбирая достаточно яркие близкие звезды по очень хорошей причине: TESS должен полететь в 2017 году, и, если все будет хорошо, в это время будет работать следующий космический телескоп — телескоп имени Джеймса Вебба.

Соответственно, программа выглядит так: TESS открывает экзопланеты около близких ярких звезд, а новый космический телескоп пытается детально изучить эти экзопланеты.

Возможностей телескопа имени Джеймса Вебба, по всей видимости, будет достаточно для получения прямых изображений даже относительно небольших каменных планет, что было бы очень здорово.

Следующий большой европейский космический проект — Cheops все-таки спутник не очень большой — называется PLATO, и он предназначен для поиска большого количества планет типа Земли. Идея состоит в наблюдении примерно миллиона звезд — видно, что количество наблюдаемых объектов уже существенно возрастает, — и таким образом надеются открыть большое количество каменных планет, в том числе и планеты в зоне обитаемости, что позволит существенно продвинуться в этом вопросе, который уже связан не только с астрономией, но и с биологией, поскольку приближает нас к пониманию того, как жизнь появлялась в Солнечной системе и существуют ли биосферы на других небесных телах вне Солнечной системы.

Насколько много планет может обнаружить спутник PLATO? В принципе, каменные планеты встречаются довольно часто. Современные оценки показывают, что примерно 10% звезд могут иметь каменные планеты в зоне обитаемости. Было бы очень здорово от миллиона взять 10% — это сто тысяч, огромное количество планет. К сожалению, не все так просто, поскольку планеты будут обнаруживаться по прохождению планеты по диску звезды. Соответственно, важно, чтобы мы лежали почти точно в плоскости орбиты, а планеты ориентированы случайным образом вокруг звезд, и поэтому количество открытых планет будет, конечно же, меньше ста тысяч. Но тем не менее речь идет об очень значительном количестве именно маленьких каменных планет.

Но космические аппараты, за исключением космического телескопа следующего поколения, — это все-таки аппараты для открытия, а не аппараты для детального изучения. Дело в том, что экзопланеты — объекты слабые, и, соответственно, от них поступает мало света. Это примерно то же самое, как эсэмэсками передавать содержание «Войны и мира». Наверное, парой эсэмэсок какую-то общую канву передать можно, но в деталях рассказать ничего нельзя. Нужно ловить много фотонов. Для этого нужны большие телескопы, которые предназначены именно для того, чтобы собрать много света, весь его направить в прибор, который будет что-то изучать, например в спектрограф, и получить детальный спектр. Поэтому очень важно, чтобы развивались большие наземные инструменты.

Запускать в космос большие инструменты трудно. Причин для этого две. Во-первых, в космос все запускать дорого. Если вы берете литровую бутылку воды и запускаете в космос, она будет стоить больше тысячи долларов, потому что запустить килограмм даже на низкую орбиту, скажем на МКС, — это занятие довольно дорогое. Кроме того, давайте попробуем запустить 10-метровый телескоп в космос — не получится, потому что он не влезет в ракету. Космический телескоп Джеймса Вебба — это довольно большой прибор, но он реализован по очень дорогой, очень сложной технологии: телескоп будет раскладываться почти как зонтик. По такой же технологии сделана антенна российского радиотелескопа на спутнике «Спектр-Р», который известен как основная часть программы «Радиоастрон». Но для высокоточных оптических наблюдений сделать раскладывающееся зеркало трудно, и поэтому все крупные телескопы следующего поколения — это наземные инструменты.

Сейчас обсуждаются три таких проекта — это все большие международные коллаборации. Стоимость телескопов велика, она выходит за миллиард долларов, на Земле миллиард долларов — это очень много. У космических агентств свой счет, там миллиард долларов тоже много, но не запредельно. Для наземной астрономии это очень серьезный вызов.

Первый такой крупный телескоп, который войдет в строй, — это гигантский телескоп Магеллана с размером зеркала около 20 метров.

Для сравнения: сейчас самые большие наземные телескопы имеют размеры зеркала 8–10 метров. Но, если мы переходим от 10-метрового зеркала к 20-метровому, это не значит, что мы сделали шаг в два раза. Свет собирается с площади, площадь пропорциональна квадрату радиуса, поэтому переход от 10 метров к 20 — это четыре раза. Так что это довольно серьезный шаг. Света действительно будет собираться больше. Гигантский телескоп Магеллана — это большая коллаборация, в основном американская, участвуют в ней различные университеты. Если все будет по плану, то телескоп должен заработать в 2022 году.

Другой крупный проект — это 30-метровый телескоп, это тоже будет большая международная коллаборация. Дата постройки точно не известна, поскольку долгое время были серьезные неопределенности с финансированием. Сейчас в проект вошел Китай, и это очень хорошо для проекта, и очень хорошо для Китая, поскольку создание новых инструментов — это не только большие вложенные деньги. Это, во-первых, уже существующая инфраструктура — вы не можете построить телескоп в пустом месте, его можно строить только там, где уже есть какая-то серьезная инфраструктура.

Для сравнения: когда строили 6-метровый телескоп в России на Кавказе, то одним из самых дорогих элементов проекта была дорога наверх, по которой завозили зеркало. Это огромное тяжелое 6-метровое зеркало, которое везли на специальных грузовиках, и, естественно, никакой дороги, по которой они могли бы пройти, просто не существовало, и дорогу нужно делать не на ровном месте, а это должен быть серпантин, приводящий вас на гору. Но есть ощущение, что 30-метровый телескоп тоже заработает в 20-е годы, может быть, в середине 20-х годов.

Самый главный наземный проект ближайшего будущего — это европейский очень большой телескоп. У него диаметр зеркала будет больше 30 метров. Соответственно, если сравнивать с 10-метровыми зеркалами, то это в 10 раз больше света. То есть мы можем видеть в 10 раз более слабые объекты, это очень большое продвижение. И для этого телескопа экзопланетные исследования являются одной из приоритетных программ. С помощью такого инструмента можно будет изучать составы атмосфер не только планет-гигантов, но и, возможно, небольших планет типа Земли.

Это ключевой шаг, поскольку в ближайшие годы, наверное, единственный способ продвинуться в понимании того, есть ли жизнь на других планетах или нет, — это изучить состав атмосферы и найти там так называемые биомаркеры — это такие элементы, как вода, метан, кислород. Если они будут обнаружены, то мы сможем с достаточной уверенностью говорить, что на этой планете хотя бы в простейшей форме существует жизнь земного типа.