Вы используете устаревшую версию браузера. Для оптимальной работы с MSN используйте поддерживаемую версию.

Семь Земель в одной системе

Логотип Коммерсантъ Коммерсантъ 19.06.2017

Астрономия

Планетная система Trappist-1 удостоилась отдельной пресс-конференции Национального аэрокосмического агентства США (NASA). У слабой, тусклой карликовой звезды, удаленной от Солнечной системы на 12,1 + 0,4 парсек (примерно 39 световых лет), обнаружено семь транзитных землеразмерных планет, образующих компактную плотно упакованную систему, связанную многочисленными орбитальными резонансами. Минимум три из семи планет находятся в обитаемой зоне и могут иметь на поверхности жидкую воду.

До недавнего времени обнаруживать аналоги Земли — планеты земного типа, на поверхности которых может находиться жидкая вода и которые могут давать приют жизни, было невозможно. Аналоги Земли светят отраженным светом, и этот слабый свет буквально тонет в лучах яркой близкой звезды, поэтому экзо-Земли нельзя увидеть на снимках. Гравитационное притяжение Земли заставляет Солнце вращаться вокруг общего центра масс, но скорость этого движения составляет всего примерно 9 см/с, поэтому "вторую Землю" нельзя обнаружить и методом измерения лучевых скоростей (типичная погрешность измерения лучевых скоростей звезд с помощью лучших современных спектрографов составляет примерно 1 м/с). Наконец, транзит аналога Земли по диску звезды — аналога Солнца ослабит ее блеск всего на 0,0084%. Надежно зафиксировать такое ничтожное падение блеска может только специализированный космический телескоп — например, космический телескоп имени Кеплера. Но даже ему придется непрерывно наблюдать за звездой несколько лет, чтобы убедиться, что такие ослабления блеска происходят регулярно, их глубина и продолжительность одинаковы, а значит, они вызваны именно транзитом планеты, а не проявлением звездной активности.

Пока речь шла о поиске экзо-Земель у звезд — аналогов Солнца. Однако большинство звезд в нашей Галактике — красные карлики: более легкие, холодные и тусклые, нежели Солнце. Например, масса звезды Trappist-1 составляет всего 8,0% + 0,7% от массы Солнца, а ее радиус — 11,7% + 0,4% радиуса Солнца; температура же поверхности (2560 + 50К) ниже температуры нити в лампочке накаливания! Trappist-1 светит в 1908 раз слабее Солнца, а размеры этой звезды всего на несколько процентов превышают размеры Юпитера.

Искать планеты земного типа у маленьких звезд проще, потому что когда планета земного типа проходит по маленькому диску красной карликовой звезды, глубина транзита оказывается больше, а сами транзиты — резче и заметнее, чем при проходе той же планеты по крупному диску звезды солнечного типа (глубина транзита составляет ~(Rp/Rstar)2). А из-за низкой светимости красных карликов зона, где на поверхности планет может находиться жидкая вода, расположена близко к звезде, орбитальный период планет в этой зоне составляет всего несколько суток, и не нужно годы следить за звездой, чтобы увидеть несколько транзитов одной планеты.

Несколько наземных транзитных обзоров (специальных наблюдательных программ) оптимизировано под поиск планет именно у красных карликов. Один из них и называется Trappist (TRAnsiting Planets and PlanetesImals Small Telescope). Наблюдения ведутся с помощью 60-сантиметрового автоматического телескопа Европейской южной обсерватории в Ла-Силья, Чили. 40% времени этого телескопа тратится на получение кривых блеска 60 сравнительно близких красных карликов спектральных классов M5 и еще более холодных. Высокое качество фотометрии позволяет обнаруживать транзиты планет размером с Землю и даже еще меньших.

Сначала у звезды Trappist-1 обнаружили две транзитные планеты с орбитальными периодами 1,51 и 2,42 земных суток. Кроме того, кривая блеска звезды продемонстрировала еще два транзитных события, подсказавших исследователям, что в системе есть еще как минимум одна транзитная экзопланета. Звезду Trappist-1 изучали с помощью множества инструментов, как наземных, так и космических. Исследователям удалось засечь проход по диску звезды предполагаемой планеты Trappist-1 d, который произошел в одно время с транзитом планеты Trappist-1 c. Наблюдения проводились камерой HAWK I, находящейся на Очень большом телескопе (Very Large Telescope).

Высокое качество фотометрии позволило определить, что этот транзит даже не двойной, а тройной, то есть в этот момент по диску звезды проходили сразу три планеты!

В феврале и марте 2016 года звезду Trappist-1 наблюдал космический телескоп имени Спитцера, а с мая начались интенсивные наземные наблюдения как на обоих 60-сантиметровых телескопах обзора Trappist, так и на более крупных инструментах — 3,8-метровом телескопе UKIRT на Гавайях, 4-метровом телескопе Вильяма Гершеля и 2-метровом Ливерпульском телескопе в Ла-Пальме и метровом телескопе SAAO в ЮАР. Кульминацией этой кампании стали непрерывные 20-суточные наблюдения на Спитцере в инфракрасных лучах с длиной волны 4,5 мкм.

Совместными усилиями у звезды Trappist-1 обнаружили целых семь транзитных планет! И все они оказались сравнимы по размеру с Землей.

Измеряя глубину транзитов планет по диску их звезды, можно узнать их размеры; интервал между соседними транзитами соответствует орбитальному периоду, наконец, зная орбитальный период, по третьему закону Кеплера можно определить еще и большую полуось орбиты планеты (а значит, и степень ее нагрева). Однако как измерить массы планет? Обычно используют метод измерения лучевых скоростей родительской звезды, но Trappist-1 для этого слишком тусклая (ее видимая звездная величина достигает +18,8!). На помощь пришел метод тайминга транзитов.

Суть метода такова. Если планета — единственная в системе, интервал времени между соседними транзитами будет строго постоянным. Но если их больше, гравитационное поле других тел в системе будет возмущать движение транзитной планеты, и время наступления транзитов будет регулярно отклоняться от предвычисленного, в отдельных случаях на десятки минут и даже часы. Особенно сильным взаимное влияние планет будет в случае, если отношение их орбитальных периодов окажется близким к отношению целых чисел, например, 2:1 или 2:3 и т. п. В этом случае говорят, что планеты находятся в орбитальном резонансе.

Компактная система планет Trappist-1 оказалась связана цепочкой орбитальных резонансов. Отношения периодов Pc/Pb, Pd/Pc, Pe/Pd, Pf/Pe и Pg/Pf оказались близки к 8:5, 5:3, 3:2, 3:2 и 4:3, соответственно. Гравитационное влияние планет друг на друга вызвало заметные периодические отклонения времени транзитов от строгой периодичности. Измеряя эти отклонения, исследователи и оценили массы планет.

Открытие компактной плотно упакованной семипланетной системы вызвало шквал теоретических и наблюдательных работ, посвященных ее происхождению, эволюции и обитаемости. Для начала был оценен возраст системы. Удалось определить ее период вращения (~3,3 земных суток) и уточнить возраст (3-8 млрд лет), звезда проявляет умеренную активность в соответствии со своим зрелым возрастом, она довольно сильный переменный рентгеновский источник: рентгеновская светимость приблизительно равна рентгеновской светимости спокойного Солнца. Планеты расположены очень близко к этой звезде, так что они получают на несколько порядков больше коротковолнового излучения, чем получает Земля от Солнца.

В ранний период жизни маломассных звезд их светимость выше, а активность гораздо выше, чем в дальнейшем, когда им миллиарды лет. Соответственно, планеты, которые сейчас находятся в обитаемой зоне, прежде были сильно нагреты, а мощное ультрафиолетовое и рентгеновское излучение молодой звезды эффективно "сдувало" атмосферы и воду с этих планет. Исследователи подсчитали, что из-за мощных вспышек внутренние планеты Trappist-1 b и Trappist-1 c могли потерять за счет фотоионизации воды до 15 земных океанов. Впрочем, это не означает, что они непременно полностью высохли — начальное содержание воды могло быть значительным.

Другим препятствием для обитаемости планет Trappist-1 служит вспышечная активность звезды. Кривая ее блеска, полученная "Кеплером", демонстрирует многочисленные мощные вспышки, чья энергия составляет 10 в 30-10 в 33 эрг. Во время самой сильной вспышки, зафиксированной "Кеплером", светимость звезды увеличилась на 1,78 звездных величин (более чем в пять раз!). Мощнейшие корональные выбросы, индуцированные вспышками, должны вызывать на планетах сильнейшие геомагнитные бури, в сотни и тысячи раз более мощные, чем магнитные бури на Земле. Это препятствует появлению на планетах системы Trappist-1 сколько-нибудь сложно организованной жизни.

Что можно сказать об атмосферах планет? Космический телескоп имени Хаббла наблюдал двойной транзит Trappist-1 b и Trappist-1 c. Трансмиссионная спектроскопия достоверно показала, что обе планеты лишены водородных атмосфер — что не исключают атмосфер из более тяжелых газов, например, из водяного пара, азота или углекислого газа.

Владислава Ананьева, главный специалист Института космических исследований РАН

Читайте также:

Коммерсантъ

Коммерсантъ
Коммерсантъ
image beaconimage beaconimage beacon