TESS: маленький спутник с большой работой

Здравствуйте, уважаемые посетители моего маленького сайта!

Сегодня я бы хотел рассказать вам о транзитном спутнике для исследования экзопланет — сокращенно TESS.

На протяжении большей части существования человечества мы считали Землю единственной планетой с жизнью.

Мы были одни во вселенной, особенные и уникальные.

Однако за последние несколько десятилетий огромное количество внесолнечных планет или экзопланет, обнаруженных на орбитах далеких звезд, бросило вызов этому убеждению.

Золотой век экзопланетных исследований начался в начале 1990-х годов с открытия двух экзопланет на орбите вокруг миллисекундного пульсара PSR B1257+12, нейтронной звезды, которая вращается 9650 раз в минуту.

Эти две «суперземли» примерно в четыре раза превышали массу Земли (4 M, где M = 1 масса Земли).

Условия вокруг нейтронных звезд делают такие планеты маловероятными кандидатами на существование жизни, какой мы ее знаем.

В планетарных обзорах появлялось все больше и больше экзопланет, многие из которых были крупными газовыми гигантами, такими как Юпитер, пока экзопланеты сами по себе не перестали быть достойными освещения в печати.

В погоне за Златовлаской

Затем, в 1995 году, астрономы Мишель Майор (Michel Mayor) и Дидье Кело (Didier Queloz) из Женевского университета в Швейцарии идентифицировали 51 Pegasi b, горячий газовый гигант и первую найденную экзопланету, вращающуюся вокруг звезды главной последовательности, подобной Солнцу, — открытие, которое принесло паре половину Нобелевской премии по физике 2019 года.

В 1999 году международная группа астрономов из США и Австралии наблюдала систему из нескольких планет, вращающуюся вокруг звезды, подобной Солнцу, что стало первым подтверждением существования Солнечной системы за пределами нашей.

С тех пор было обнаружено много экзопланет, которые попадают в обитаемую зону звезды, или «зону Златовласки» — орбиту, для которой условия как раз подходят для существования жидкой воды и, соответственно, возможной жизни.

Космический телескоп Кеплер, названный в честь немецкого астронома 17-го века, который взломал код движения планет, был запущен в 2009 году для детального исследования небольшого участка неба в поисках экзопланет.

Роль Кеплера заключалась в постоянном мониторинге около 150 000 звезд на предмет колебаний яркости, которые могли быть вызваны, когда экзопланеты пересекают или проходят перед ликом своей звезды-хозяина.

Такие транзиты редки и происходят только в системах с плоско-перпендикулярными к наблюдателю орбитами.

Тем не менее, за девять лет своего существования «Кеплер» идентифицировал около 5000 планет-кандидатов вокруг далеких звезд, более 2500 из которых подтверждены другими наблюдениями.

НАСА вывело Кеплер на пенсию 30 октября 2018 года, когда у космического корабля закончилось топливо.

Но спутник показал сверкающее разнообразие планет и типов звезд, на которых они расположены.

Основываясь на наблюдениях Кеплера, астрономы пришли к выводу, что, возможно, от 20% до 50% звезд, видимых невооруженным глазом с Земли, вероятно, имеют планеты, похожие на Землю, и что до 40 миллиардов планет размером с Землю могут вращаться в обитаемых зонах подходящих звезд в галактике Млечный Путь.

«Мы знаем, что уход Кеплера на пенсию — это не конец его открытий», — сказала Джесси Дотсон (Jessie Dotson), научный сотрудник проекта Кеплера в Исследовательском центре Эймса НАСА в Маунтин-Вью, Калифорния, США.

«Я взволнована разнообразными открытиями, которые еще предстоит сделать из наших данных, и тем, как будущие миссии будут опираться на результаты Кеплера».

Введите ТЭСС

И строить они будут.

В апреле 2018 года Кеплер передал эстафету новому космическому телескопу, спутнику для исследования транзитных экзопланет (TESS).

Меньше и легче, чем Кеплер, и с совершенно другой компоновкой (состоящей из четырех рефракционных камер, а не одного телескопа-рефлектора метрового класса), TESS также стоил меньше, чем Кеплер, в строительстве (200 миллионов долларов США против 640 миллионов долларов США).

Но у него большая работа.

Группа под руководством Массачусетского технологического института (MIT), США, разработала TESS для двухлетней миссии по исследованию всего неба в поисках транзитных планет.

В то время как Кеплер много лет наблюдал за одной областью неба, TESS представляет собой обзор всего неба с использованием техники «взгляд и шаг» с полем зрения (FOV) в двадцать раз больше, чем у Кеплера.

Зачем заниматься этим поиском, если миссия НАСА «Кеплер» уже идентифицировала достаточное количество кандидатов в экзопланеты, чтобы занять астрономов на десятилетия?

Тысячи экзопланет, обнаруженных Кеплером, в основном вращаются вокруг тусклых звезд — ниже 12-й величины (яркость уменьшается с увеличением величины) и на расстоянии более 1000 световых лет от Земли — и варьируются от планет размером с Землю до размера Юпитера.

Кеплер сосредоточился на определении огромного количества экзопланет, чтобы охарактеризовать тип звезд, вокруг которых есть планеты, и предоставить астрономам полезную статистику.

Кеплер обнаружил, что экзопланеты размером с Землю и больше изобилуют в галактике и имеют самые разные массы, орбиты и составы.

Подтверждение этих экзопланет-кандидатов потребует дополнительных наблюдений, но, поскольку подавляющее большинство звезд-мишеней Кеплера настолько слабы, детальное отслеживание их планет-кандидатов будет затруднено с помощью существующих телескопов.

На самом деле вам понадобятся телескопы в десять раз больше, чем чрезвычайно большие телескопы следующего поколения, которые сейчас находятся в стадии разработки, чтобы подтвердить большинство самых слабых кандидатов Кеплера.

TESS делает следующий логический шаг по сравнению с Кеплером, наблюдая более яркие звезды в среднем примерно в десять раз ближе, чем цели Кеплера.

Особый интерес представляют планеты размером от Земли до Нептуна, потому что в нашей Солнечной системе таких нет.

Основная задача TESS — идентифицировать объекты в среднем на расстоянии менее 100 парсеков (около 326 световых лет).

Транзитное расписание

TESS также повторно посетит целевых планет-кандидатов, наблюдаемых Kepler, как раз в нужное время, чтобы точно подтвердить их долгопериодические орбиты.

Кеплер несколько лет следил за одними и теми же целями в одном и том же поле зрения, наблюдая экзопланеты за несколько оборотов, чтобы точно охарактеризовать их орбиты.

Поскольку наблюдаемая продолжительность транзита планеты составляет всего около 0,1% периода ее обращения, было бы легко пропустить транзит, если бы орбита планеты и прогнозируемое время транзита не были точно известны.

TESS стремится повторно измерить время прохождения для некоторых ярких кандидатов, которые были определены Кеплером много лет назад, чтобы точно определить время их будущих транзитов, даже если он фиксирует время прохождения для ближайших планет, которые обнаруживает сам TESS.

Таким образом, TESS может уточнить орбитальные периоды сильных экзопланет-кандидатов для других телескопов, чтобы более точно нацеливаться в будущем.

Это важно, потому что астрономы должны четко планировать наблюдения на больших телескопах исследовательского уровня, чтобы в полной мере использовать их возможности высокого разрешения для съемки глубокого космоса.

Вместо того, чтобы смотреть на данный объект в течение одного или двух дней, чтобы наблюдать транзит, графики больших телескопов тщательно оптимизированы, чтобы повернуться к цели в нужный момент и не тратить время телескопа.

За первые 19 месяцев с момента развертывания исследователи TESS определили несколько кандидатов в экзопланеты на расстоянии от 6 до 10 парсеков (примерно от 20 до 30 световых лет), которые будет относительно легко подтвердить с помощью следующего поколения чрезвычайно больших телескопов с сегментированной конструкцией.

К ним относятся наземные гиганты, такие как Гигантский телескоп Магеллана диаметром 24,5 метра, который сейчас строится в Чили.

Тридцатиметровый телескоп, строительство которого запланировано на Мауна-Кеа на Гавайях с июля (но отложено из-за культурных протестов).

И 40-метровый Европейский чрезвычайно большой телескоп, который сейчас строится в Чили и, как ожидается, начнет функционировать в 2025 году.

Большие наземные телескопы могут выполнять последующие изображения транзитных целей, чтобы отличать экзопланеты от коричневых карликов и двойных звезд, используя адаптивную оптику для устранения искажений в атмосфере Земли.

Космические телескопы высокого разрешения, такие как 6,5-метровый космический телескоп Джеймса Уэбба, развертывание которого было запланировано в 2021 году, смогут подтвердить многочисленные параметры интересующих целей TESS (TOIs) с помощью видимых и инфракрасных спектрографов, для которых требуется значительно больше фотонов, чем TESS для первоначального обнаружения транзита.

Общественное сокровище: данные TESS

По словам Джорджа Рикера (George Ricker), главного исследователя TESS и директора лаборатории ПЗС в Институте астрофизики и космических исследований им. Кавли при Массачусетском технологическом институте, TESS — это больше, чем просто посредник между Кеплером и Уэббом.

«Поскольку мы разработали миссию для изучения экзопланет в окрестностях Солнца, цели TESS намного ближе и ярче, чем у Kepler.

Таким образом, спектры, которые Уэбб получит в последующем, будут достаточно яркими, чтобы предоставить информацию о составе атмосферы экзопланет в отраженном свете, а не только в широкополосном поглощении во время редкого и короткого прохождения.

Так что будущие исследования расскажут нам об атмосферах этих планет гораздо больше, чем мы ожидали».

Любые отчеты о статистике, связанной с открытиями TESS, устаревают в момент их публикации, поскольку каждый день в результате миссии появляются новые планеты-кандидаты и исследовательские работы.

TESS обрабатывает два или три TOI в день.

Ожидается, что к концу 2022 года он идентифицирует более 1400 TOI и только в 2022 году предоставит свои данные для более чем 200 опубликованных статей.

В августе прошлого года НАСА объявило о двухлетнем продлении миссии TESS, что позволит спутнику продолжать собирать планеты до 2022 года, и команда TESS ожидает, что спутник обнаружит еще несколько сотен транзитов в следующие несколько лет.

Как правило, исследовательские группы спутников имеют право претендовать на эксклюзивный частный доступ к наблюдениям в течение длительного периода, даже лет.

Однако из-за огромного количества изображений, которые собирают его камеры, команда TESS знала, что им потребуется помощь в анализе огромных объемов данных (два петабайта в год, по словам Рикера), которые TESS будет обрабатывать.

Таким образом, команда сократила время, необходимое для того, чтобы сделать данные общедоступными, примерно до двух месяцев — быстрее, чем любая другая миссия в истории НАСА.

При разработке команда TESS понимала, что хранение и загрузка этого массива данных вызовет проблемы.

В то время как Kepler может передавать свои данные на Землю со скоростью 4 Мбит/с со своей обратной околоземной орбиты, высокоэллиптическая орбита TESS обеспечивает очень близкий перигейный (околоземный) проход, во время которого спутник может передавать данные со скоростью 100 Мбит/с.

В результате TESS может предоставить столько же данных за пять месяцев, сколько Кеплер за девять с половиной лет.

Публичный доступ к такому объему данных исследований позволил резко увеличить количество результатов исследований экзопланет.

Новые открытия

Известные открытия TESS на данный момент включают систему из трех планет вокруг GJ 357, холодного карлика класса М, находящегося всего в 9,4 парсека (31 световой год) от нас в созвездии Гидры.

Международная коалиция во главе с Лизой Калтенеггер (Lisa Kaltenegger) из Корнелла, доцентом астрономии и директором Института Карла Сагана, сообщила в июле 2019 года, что одно из них является первым открытием TESS потенциально обитаемого мира за пределами нашей Солнечной системы.

Планета GJ 357d представляет собой суперземлю (6M), обращающуюся вокруг своей родительской звезды каждые 56 дней в обитаемой зоне в месте, сравнимом с положением Марса.

Несколько моделей предполагают, что GJ 357d, вероятно, представляет собой замерзший каменистый мир со средней температурой –64°F (–53°С).

Но одна модель показала, что если бы атмосфера была достаточно толстой, чтобы удерживать тепло, жесткое излучение, исходящее от молодого красного солнца, могло бы нагреть ее настолько, чтобы поддерживать жидкую воду на поверхности.

Количество радиации будет высоким, но сродни тому, что на молодой Земле.

«И на молодой Земле у нас была жизнь», — сказал Калтенеггер.

«Таким образом, шансы найти жизнь вокруг ближайших молодых красных звезд стали немного выше».

TESS также обнаружил систему планет размером с Землю вокруг яркого М-карлика L 98-59, который находится на расстоянии 10,6 парсека (35 световых лет) от нас.

Размеры планет варьируются от 0,8 до 1,35 и 1,59 радиуса Земли с периодом обращения 2,25 дня, 3,69 дня и 7,45 дня соответственно.

Самая внутренняя планета, L 98-59b, является самой маленькой планетой, обнаруженной TESS.

Любое измерение обитаемости экстраполируется из нашего понимания Земли и, следовательно, ориентировано на Землю, но все три планеты кажутся маловероятными кандидатами на жизнь, поскольку каждая из них, вероятно, получит более высокий поток радиации, чем Земля от Солнца.

Позже TESS сделал еще один «хет-трик», обнаружив три планеты — одна всего на 25% больше Земли — вокруг M-карлика TOI 270.

Хотя аналог Земли еще предстоит найти, дразнящий массив экзопланет манит к дальнейшим наблюдениям, которые принесут более глубокое понимание атмосферных условий и потенциала жизни.

И TESS предоставил принципиально новые данные, которые могут осветить неожиданные области астрономии, в том числе астеросейсмологические исследования звезд главной последовательности, колебания звезд — белых карликов, взрывы сверхновых и приливные разрушения звезд, которые рискуют приблизиться слишком близко к массивным черным дырам в ядрах далеких галактик.

«Теперь у нас есть все виды абсолютно новой информации», — сказал Рикер.

«Сами звезды предоставляют информацию, о которой никто никогда не имел четкого представления.

Одни звезды звенят резонансными волнами — у некоторых есть колебания, которые растут и затухают, некоторые подвергаются разрушительным взрывам, что приводит к их насильственной смерти.

Это очень захватывающая, богатая новая область астрономии во временной области».

Калтенеггер добавляет: «TESS — это наша маленькая мощная миссия, которая смогла.

Он обнаружил скрытые планеты, вращающиеся вокруг звезд, которые мы видим каждую ночь.

Это меняет то, как мы видим ночное небо».

Основы обнаружения экзопланет

Слабый световой сигнал от внесолнечных планет обычно теряется в ярком свете их родительских звезд, что делает их непосредственным определением очень сложной задачей.

Астрономы определили более десятка методов косвенного обнаружения экзопланет.

Вот некоторые из самых успешных:

• Время пульсара. Для планет, вращающихся вокруг пульсаров, небольшие эксцентричные вариации во времени импульса родительской нейтронной звезды могут указывать на то, что планеты оказывают гравитационное воздействие на звезду.
• Астрометрия. Этот метод предполагает непосредственное наблюдение тонкого поперечного гравитационного «колебательного» движения звезды, приписываемого орбитальной планете. Он будет использоваться (наряду с прямыми изображениями) 6,5-метровым космическим телескопом Джеймса Уэбба, запуск которого состоялся в 2021 году.
• Доплеровская спектроскопия, или лучевая скорость. Гравитационное притяжение планеты к ее родительской звезде, когда они вращаются вокруг своего общего центра масс, вызывает видимое возвратно-поступательное движение звезды вдоль луча зрения. Линии поглощения в спектре звезды смещаются в синюю сторону, когда звезда приближается, и в красную, когда она удаляется по своей крошечной «орбите». Этот метод, который наиболее часто использовался для идентификации экзопланет до Кеплера, позволяет измерять периоды обращения планет и нижний предел масс планет.
• Транзитная фотометрия. Этот метод, используемый космическим телескопом Кеплер и TESS, требует наблюдения за планетой, проходящей прямо по поверхности своей родительской звезды, что вызывает временное падение яркости звезды. Такие транзиты редки и требуют обзора с ребра, но метод позволяет однозначно определить орбитальный период и радиус планеты. С помощью дополнительной спектроскопии можно оценить массу планеты и, следовательно, ее среднюю плотность и вероятный состав.
• Транзитная спектроскопия. Если родительская звезда достаточно яркая, спектроскопия может дать информацию об атмосфере планеты, если она у нее есть. Когда планета проходит перед своим родителем, ее атмосфера поглощает часть звездного света — полученные в результате черные линии поглощения в спектре могут выявить характерные узоры некоторых атмосферных молекул, таких как водород, гелий, азот и кислород.

Основываясь на наблюдениях космического телескопа Кеплер, астрономы пришли к выводу, что от 20% до 50% звезд, видимых невооруженным глазом с Земли, вероятно, имеют планеты, похожие на Землю.

Если у вас остались вопросы или вы хотите оставить комментарий по этой статье - напишите его в разделе комментариев ниже.

До скорых встреч! Заходите!