Loading Posts...

Поиски иных миров. Космические обсерватории сегодня и завтра

Чуть больше четверти века назад человечество не знало практически ничего о планетах за пределами Солнечной системы. Ученые могли рассуждать о них лишь теоретически. Сейчас число достоверно известных объектов этого класса превышает три тысячи; еще больше «стоит в очереди» на подтверждение. Самая молодая отрасль астрономии, занимающаяся изучением экзопланет (такое название получили эти тела), бурно развивается, и значительный вклад в нее вносят мировые космические агентства.

Завершение миссии телескопа Kepler

Девять лет назад 7 марта 2009 г., с космодрома на мысе Канаверал стартовала ракета Delta II с космическим телескопом Kepler, запущенным в рамках программы Discovery. Последняя ступень ракеты вывела его на околосолнечную орбиту с периодом 372,57 суток, двигаясь по которой, он медленно «отстает» от Земли (к настоящему времени расстояние до него почти достигло одной астрономической единицы — среднего радиуса земной орбиты). Такое необычное «место работы» было выбрано, исходя из научных задач инструмента: он предназначен для поиска планет других звезд транзитным методом — регистрируя малейшие падения блеска светил, связанные с прохождением по их дискам планетоподобных спутников, в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне. Для этого космический аппарат, оснащенный 1,4-метровым рефлектором (на тот момент это было крупнейшее зеркало, отправившееся за пределы орбиты Луны), нацелили на участок неба вблизи границы созвездий Лебедя и Лиры, а потом удерживали его в одном и том же положении на протяжении четырех лет. Вблизи нашей планеты это сделать было бы сложно из-за ее сильного приливного воздействия.

Kepler стал самым успешным «охотником за экзопланетами» в истории. По состоянию на 8 марта 2019 г. он обнаружил 2649 планетоподобных объектов в окрестностях иных звезд и еще 2724 объекта пока ожидают подтверждения. Основная часть из этого числа была открыта в ходе основной миссии, продолжавшейся до мая 2013 г., когда у космического аппарата отказал второй гироскоп, отвечавший за его стабилизацию (первый гироскоп перестал работать еще в июле 2012 г.). Два оставшихся не могли поддерживать ориентацию телескопа с нужной точностью, поэтому в NASA объявили о прекращении его миссии. Однако инженеры все же смогли изобрести способ продлить эксплуатацию дорогостоящего инструмента, использовав в качестве дополнительной стабилизирующей силы давление солнечного света. Правда, для этого его пришлось «отвернуть» от исходного поля зрения и поочередно направлять на различные площадки, расположенные вблизи эклиптики.

Расширенная миссия получила обозначение К2. Предполагалось, что в ее рамках телескоп проведет десять наблюдательных сессий, после чего в его баках должно было закончиться топливо для бортовых двигателей, необходимое для «перенацеливания» на очередную площадку и дополнительные коррекции положения в пространстве. В реальности Kepler успел провести 16 наблюдательных кампаний и уже приступил к 17-й, которая, скорее всего, станет для него последней. Приборы не показывают точного объема остатков жидкости в баках, поэтому инженерам приходится рассчитывать ее количество, исходя из начального запаса (12 кг) и оценочных затрат в ходе включений двигателей. Теперь специалисты планируют собрать как можно больше сведений, передать их на Землю, пока космический аппарат поддается управлению, и осуществить финальную калибровку его научных приборов.

Для обработки информации, полученной в ходе миссии Kepler, привлечены тысячи добровольцев, которые могут анализировать данные о блеске исследованных им звезд, выложенные на специальном сайте. Работы им хватит еще не на один год. А на смену знаменитому космическому телескопу уже готовятся прийти новые, более совершенные обсерватории.

TESS: «широкий взгляд» на небо

Первым из экзопланетных телескопов нового поколения в космос отправился американский аппарат TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite). Он был запущен 18 апреля 2018 г. с космодрома на мысе Канаверал с помощью ракеты Falcon 9 Full Thrust компании SpaceX, доставившей его на промежуточную орбиту с перигеем 200 км и апогеем 27,8 тыс. км. Далее космический аппарат должен выполнить пять включений бортового двигателя, которые переведут его на траекторию облета Луны, после чего он совершит финальный маневр и в середине июня выйдет на рабочую орбиту с перигеем 108 тыс. км, апогеем 373 тыс. км (немного меньше среднего расстояния между Землей и Луной) и периодом обращения 13,7 суток.2 Такая орбита выбрана для того, чтобы телескоп постоянно находился за пределами околоземных радиационных поясов с повышенной концентрацией высокоэнергетических заряженных частиц, способных повредить бортовую электронику.

Читать:  Лунная миссия - маленький шаг человека

Если Kepler изначально был долговременно нацелен на небольшой участок неба площадью 105 квадратных градусов (и лишь во время расширенной миссии «перенацеливался» на другие участки), то TESS рассчитан на поиски экзопланет путем мониторинга 200 тыс. ближайших к нам и наиболее ярких звезд, разбросанных по всей небесной сфере. Поэтому четыре его 16,8-мегапиксельных камеры, оснащенных 10-сантиметровыми объективами, имеют меньшую чувствительность, но зато огромное поле зрения – 24×24°. Всего таких камер на космический аппарат установят четыре. В течение первого года миссии они произведут полный обзор объектов северного полушария неба, имеющих блеск ярче 12-й звездной величины, с перекрытием около полюсов эклиптики. Второй год уйдет на исследование южного неба.

Всего предполагается изучить свыше полумиллиона звезд спектральных классов G (солнцеподобные), К (оранжевые карлики) и М (красные карлики). Последние будут представлять собой непосредственное окружение Солнца: даже ближайшие из них редко имеют блеск выше 10-й величины. Но и остальные светила также не относятся к мощным «излучателям». В сумме ко всем трем перечисленным классам принадлежит свыше 90% звезд Вселенной.

Длительность непрерывных наблюдений каждой площадки будет равна орбитальному периоду космического телескопа. Полученные данные должны накапливаться в течение этого времени и незадолго до прохождения перигея отправляться на Землю. В самом перигее группа сопровождения собирается производить перенацеливание камер аппарата на следующий участок небесной сферы.

TESS имеет массу 350 к г и габариты 3,7×1,2×1,5 м (первое число соответствует «размаху» двух фотогальванических панелей, генерирующих до 400 Вт электроэнергии). Камеры для него изготовлены в Линкольновской лаборатории Массачусетского технологического института (MIT Lincoln Laboratory). Ориентация аппарата будет осуществляться с помощью четырех гидразиновых реактивных двигателей и четырех гироскопов. В приеме и обработке получаемой им информации задействовано множество систем и научных организаций, среди которых, в частности, сеть дальней космической связи DSN, центр управления миссиями корпорации Orbital АТК, Исследовательский центр им. Эймса (Ames Research Center), Годдардовский центр космических полетов (Goddard Space Flight Center), a также Смитсоновская астрофизическая обсерватория. Финансирование проекта частично осуществляется за счет компании Google; его общая стоимость оценивается в 380 млн долларов США. Плановая продолжительность функционирования телескопа – два года с возможностью продления.

Специалисты миссии признают, что вероятность найти в ходе нее планету, похожую на Землю (то есть обладающую близкой массой и находящуюся в зоне обитаемости вблизи солнцеподобной звезды) довольно мала. Однако они надеются получить обширный статистический материал об экзопланетных системах небольших звезд, а также астросейсмологии – колебаниях звездных поверхностей.

CHEOPS: европейский исследователь экзопланет

Первая европейская специализированная миссия, посвященная исследованиям экзопланет методом высокоточных измерений моментов и длительности транзитов, получила название CHEOPS (Characterising ExOPIanet Satellite – спутник для характеризации экзопланет). В основном она предназначена для прецизионной фотометрии ярких звезд, у которых уже подтверждено наличие планетоподобных спутников. Запуск космического аппарата на солнечно-синхронную орбиту высотой 600-850 км произведен с космодрома Куру во Французской Гвиане с помощью ракеты «Союз-СТ». На 51-м симпозиуме ESLAB в нидерландском Нордвейке миссию презентовала участница ее рабочей группы Кейт Айзек (Kate Isaak).

Это будет первая миссия S-класса в рамках программы Cosmic Vision, реализуемой ESA в период с 2015 по 2025 г. в партнерстве со Швейцарией и при участии 10 стран Евросоюза. Она обеспечит уникальную возможность с большой точностью определить радиусы известных экзопланет в диапазоне от супер-Земель до аналогов Нептуна, для которых уже имеются оценки массы, сделанные на основе наземных спектроскопических наблюдений. Это, в свою очередь, позволит точнее определить их плотность, а значит — сделать выводы об их составе, то есть понять, имеем ли мы дело с каменистой планетой, либо же она состоит преимущественно из воды (или льда).

Читать:  Марсианская одиссея 2020

Поиск новых экзопланет также будет вестись, однако ученые предлагают сосредоточиться на звездах, у которых уже открыты спутники (в первую очередь методом лучевых скоростей – по периодическому сдвигу линий в спектре центрального светила). Таким образом, мы получим значительно больший массив информации о мультипланетных системах, что позволит детальнее изучить их эволюцию. Опять же, новооткрытые объекты далее будут детально исследоваться с помощью других телескопов – ка к наземных, так и космических обсерваторий нового поколения – в первую очередь с целью поисков и дальнейшего изучения их атмосфер.

Предполагается, что CHEOPS (как и TESS) должен ориентироваться на мониторинг звезд ярче 12-й величины, и лишь немногим интересным более слабым объектам может быть также уделено внимание. Высокую фотометрическую точность телескопа обеспечит использование фотометра на основе одиночной мегапиксельной ПЗС-матрицы, работающего в диапазоне длин волн 350-1100 нм и установленного в фокусе внеосевого рефлектора системы Ричи-Кретьена с эквивалентной апертурой 30 см (f/5). В некоторых случаях чувствительность камеры даст возможность по кривой блеска измерить альбедо (отражательную способность) экзопланеты и зарегистрировать ее изменения, например, в результате появления либо исчезновения облачного покрова. Особенно интересны такие измерения для так называемых «горячих Юпитеров» – ученые хотят выяснить механизм переноса энергии между их дневным и ночным полушариями. Отдельным разделом исследований станут экзолуны: их собираются искать по отклонениям моментов ингресса и эгресса (входа планеты на звездный диск и схода с него), вызванных их гравитационным влиянием на центральное тело — в данном случае собственно экзопланету.

Номинальная продолжительность миссии составит 3,5 года с возможным продлением до 5 лет. 20% наблюдательного времени рабочая группа планирует предоставить гостевым астрономам, подавшим соответствующие заявки в ESA и прошедшим отбор. Однако еще четверть этого времени может быть зарезервировано под «срочные наблюдения» – например, для исследований неожиданно вспыхнувшей Сверхновой или другого необычного объекта. Примерно 50 дней в году сотрудники миссии хотят посвятить детальным наблюдениям транзитов «супер-Земель».

Общая масса телескопа CHEOPS будет равна примерно 280 кг, размеры – 1,5×1,2 x1,5 м, потребляемая мощность – порядка 60 Вт. Кроме видимого блеска, на объекты его наблюдений налагаются следующие ограничения: они должны располагаться не менее чем в 5° от Луны, не менее чем в 35° от земного лимба и как минимум в 120° от Солнца. Ежесуточный поток данных от космического аппарата предположительно достигнет одного гигабита.

PLATO: дальняя перспектива

Еще один европейский проект в рамках программы Cosmic Vision получил обозначение PLATO (PLAnetary Transits and Oscillations of stars – «Планетные транзиты и колебания звезд»). Этой миссии, отобранной специальным комитетом ESA 20 июня 2017 г., присвоена более высокая категория М3 (средний класс). Ее главная задача – поиски и характеризация землеподобных экзопланет, расположенных в зонах обитаемости, то есть обращающихся на таком расстоянии от центральных светил, где температурный режим на их поверхности допускает существование жидкой воды. На 51-м симпозиуме ESLAB миссию представила сотрудница научного директората ESA Ана Эрас (Ana Heras).

Одной из главных проблем современных экзопланетных исследований является большая неточность данных, получаемых существующими телескопами. Это дает значительный разброс вычисленных физических характеристик найденных объектов: часто ученые не могут сказать, имеют ли они дело с небольшим газовым гигантом или же с крупной каменистой планетой. Еще сложнее бывает идентифицировать ледяные тела, почти наверняка содержащие заметные примеси силикатных пород. Во многих случаях мы знаем массу экзопланеты, не зная ее радиуса, и наоборот. Этот пробел призван заполнить телескоп PLATO. Для этого он будет оборудован 26 линзовыми камерами с диаметрами объективов 120 мм и ПЗС-матрицами размером 4510×4510 пикселей, что дает для каждой из них поле зрения в 1100 квадратных градусов. 24 камеры должны работать в «нормальном» режиме и наблюдать звезды слабее 8-й величины, получая информацию об их блеске каждые 25 секунд. С помощью остальных двух астрономы собираются регистрировать изменения блеска ярких звезд (от 4 до 8т), считывая данные с матриц с частотой 2,5 секунды.

Читать:  Путешествие по кротовой норе

Такой же точной характеризации подвергнутся не только экзопланеты, но и звезды, вокруг которых они обращаются – это необходимо для уточнения границ зоны обитаемости и уровня вспышечной активности светил (если она слишком высока, система окажется малопригодной для жизни в каких бы то ни было формах). Внимания исследователей удостоятся как солнцеподобные объекты и красные карлики, так и красные гиганты, а также двойные звезды. Если речь идет о мультипланетной системе, будут определены орбитальные и физические параметры всех доступных компонентов, что позволит строить модели ее эволюции с учетом взаимного гравитационного воздействия и миграции отдельных тел. «На выходе» ученые надеются получить богатое разнообразие планет с различными условиями, сведения о которых станут уникальным ресурсом для понимания проблемы обитаемости в широчайшем диапазоне сред и источников энергии.

Конечно же, параллельно будут производиться наблюдения с помощью наземных телескопов, по мере поступления информации подключающихся к исследованиям перспективных экзопланет, которые способны поддерживать жизнь в той или иной форме. Они станут объектами спектроскопических исследований с целью поисков у них атмосферы и определения ее состава.

На протяжении своей четырехлетней основной миссии, которая начнется в 2026 г., PLATO будет изучать два участка в противоположных областях небесной сферы (один из них перекрывается с базовым полем телескопа Kepler с целью калибровки и уточнения ранее полученных результатов). Для этого его выведут в лагранжеву точку L2 системы «Земля-Солнце », где космический аппарат проще стабилизировать в заданном положении. Проектный срок его эксплуатации должен составить 6,5 лет, поэтому, вероятнее всего, по истечении основной миссии обсерваторию нацелят как минимум на еще один участок, выбранный группой сопровождения на основании данных, полученных другими телескопами — как наземными, так и внеатмосферными.

PLATO должен искать планеты иных звезд тем же методом, что и Kepler — по регистрации экзопланетных транзитов в ходе длительного мониторинга выбранного участка неба. Однако точность его измерений будет намного выше (в том числе за счет того, что с его помощью собираются исследовать сравнительно яркие звезды). Ожидается, что радиусы экзопланет он сможет определять с погрешностью не более 3%, а массы – до 10%. Вообще спектр научных задач нового телескопа весьма широк: в них входят поиски экзокомет и экзолун, колец и аккреционных дисков, протопланет в окрестностях молодых светил. Но главное – астрономы надеются наконец-то получить надежный инструмент для выявления и изучения свойств землеподобных объектов в зонах обитаемости звезд солнечного типа.

Ха-хаХа-ха
ЛайкЛайк
ВауВау
ДоволенДоволен
ПечальноПечально
ЗлюсьЗлюсь
Voted Thanks!
Подписывайтесь на наши каналы в Яндекс Дзен и Телеграмм
Подписаться
Уведомление о
guest
0 Комментарий
Inline Feedbacks
View all comments
Loading Posts...