Экзопланеты: прорыв, еще прорыв!..

Борис Штерн
«Троицкий вариант» №3(72), 15 февраля 2011 года

Рис. 1. Коллаж из презентации Билла Боруцки (Bill Borucki). Изображение с сайта kepler.nasa.gov

В начале февраля опубликованы результаты первых четырех с половиной месяцев работы космического телескопа «Кеплер». В целом их можно назвать сенсационными. Хотя сенсация ожидалась, от этого она не стала менее впечатляющей.

«Кеплер» — специализированный охотник за экзопланетами. Проект осуществлен НАСА при участии команд из разных стран. Телескоп запущен 6 марта 2009 г. В серии февральских публикаций представлены результаты обработки данных, накопленных со 2 мая по 16 сентября 2009 г. Первые результаты «Кеплера» описаны в ТрВ-Наука в 2009 г., повторим вкратце основные факты.

«Кеплер» нацелен на поиск транзитов планет — событий, когда планета проходит по диску звезды и яркость звезды от этого немного падает, затем восстанавливается. Вероятность, что для земного наблюдателя орбита планеты проходит по диску Земли, невелика (для двойника Земли она будет около 1/200), но «Кеплер» наблюдает одновременно за примерно 150 тысячами звезд, глядя вдоль спирального рукава Галактики, рядом с которым мы находимся, снимая кривую блеска каждой из них.

До сих пор большинство экзопланет было найдено спектрометрическим методом, который в свое время (в середине 90-х) вызвал прорыв в данной области.

Метод основан на измерении колебаний скорости звезды вдоль луча зрения. До сих пор было зарегистрировано около 500 экзопланет, большинство — спектрометрическим методом, несколько десятков по транзитам. И вот еще 1200 разом! Причем это не просто увеличение числа: экзопланеты «Кеплера» меняют всю картину. До сих пор находили в основном сравнительно крупные планеты, расположенные близко к звезде. В каталоге «Кеплера» — целая россыпь планет, сравнимых по размеру с Землей, с более далекими орбитами (см. рис. 2).

// ') return false } // ]]> Рис 2. Распределение — размер — орбитальный период для экзопланет, найденных методом транзитов. Сиреневые кружки (слева вверху) — экзопланеты, найденные до «Кеплера». Синие кружки — первая порция результатов «Кеплера» за первый месяц накопения данных. Желтые кружки — экзопланеты, добавившиеся за последующие три с лишним месяца накопления данных. Напомним, что в настоящий период уже накоплены данные за почти два года, но еще не обработаны. Рисунок из презентации Билла Боруцки. Изображение с сайта kepler.nasa.gov

Авторы, соблюдая осторожность, называют подавляющее большинство из находок «кандидатами в экзопланеты». «Подтвержденными экзопланетами» они называют только те, которые впоследствии обнаружены с помощью наземных телескопов методом измерения лучевых скоростей. Таких меньше двух десятков — метод менее чувствителен и, главное, менее «производителен». Смысл в этой предосторожности таков: допустим, шанс, что зарегистрированные транзиты у данной звезды действительно вызваны экзопланетой, равен 99%. В каких-то случаях вероятность еще выше. Это означает высокую степень достоверности, но во всем каталоге найдется несколько ошибок (наиболее вероятный источник ошибки: в поле зрения рядом с данной звездой находится более далекая пара звезд, затмевающих друг друга при вращении). Однако важно то, что эти несколько возможных ошибок никак не влияют на общую картину — можно смело использовать каталог «кандидатов» как статистический материал.

Общие цифры, многократно повторенные в средствах массовой информации (благо они перечислены в аннотации обзорной статьи), таковы:
Среди кандидатов в экзопланеты:

• земного размера (R < 1,25 R_E , где R_E — радиус Земли) — 68 штук;
• «суперземли» (1,25 R_E < R < 2R_E) — 288 штук;
• «нептуны» (2 R_E < R < 6 R_E) — 622;
• «юпитеры» (6 R_E < R < 15 R_E) — 165;
• «суперюпитеры» (15 R_E < R < 22 R_E) — 19.

При этом 54 планеты находятся в «зоне обитания», где может существовать жидкая вода и жизнь. Авторы определяют зону обитания по равновесной температуре планеты (когда тепловое излучение планеты равно поглощаемому ею излучению звезды). Из этих планет 5 имеют размеры, сравнимые с Землей. Правда пределы по равновесной температуре взяты довольно широкими: от –40°C до 100°C. Минусовые температуры — это понятно, существует парниковый эффект, который разогревает планеты до температуры выше равновесной (для Земли этот разогрев составляет 33°C).

Но температуры, скажем, выше 50°C вызывают сомнения относительно «обитаемости», особенно с учетом того же парникового эффекта. Кстати, на Венере парниковый эффект добавляет 500°C.

Теперь перейдем к очень важной стороне результатов, каковой являются так называемые эффекты селекции. В сводке, приведенной выше, «суперземель» почти в 4 раза больше, чем «земель», а «нептунов» еще в два с лишним раза больше. Так ли это на самом деле? Конечно, нет, поскольку планета размером с Землю оставляет во много раз меньший сигнал, чем планета размером с Нептуна. Следовательно, «хозяйская» звезда должна быть сравнительно яркой, иначе сигнал будет статистически недостоверным. Таким образом, для планет типа Земли поле поиска меньше, и мы их сильно недосчитываемся в сравнении с более крупными планетами. А уменьшение числа «юпитеров» в сравнении с числом «нептунов» — это достоверный факт, поскольку эффект селекции работает в пользу юпитеров. Но самое большое искажение вносится коротким сроком накопления обработанных данных — 132 дня. Это значит, что планеты с большими орбитами, типа как у Земли, вообще не представлены в каталоге (см. рис. 2) — ведь, чтобы убедиться, что провалы в кривой блеска вызваны планетой и чтобы выяснить период обращения, нужно по меньшей мере два транзита. А для маленьких планет размером с Землю — и того больше.

Из-за короткого срока накопления данных число планет в зоне обитания занижено более чем на порядок, особенно для «земель». Все планеты каталога имеют период обращения меньше 100 дней, а планеты, сравнимые с Землей, — меньше 40 дней. Планеты с такими орбитальными периодами могут попасть в зону обитания только у небольших звезд. Значит, сразу ограничивается глубина поиска. Более того, судя по данным, больше всего планет как раз у звезд типа Солнца, где, как мы видим, орбитальный период, соответствующий зоне обитания, — около года.

Самое интересное — в том, что гораздо большее множество планет, находящихся в зоне обитания, в том числе и типа Земли, уже содержится в данных «Кеплера», который летает скоро как 2 года, просто эти данные еще не обработаны. Будем ждать, надеясь, что скорость обработки со временем растет.

// ') return false } // ]]> Рис.3. Планеты систем «Кеплер-11» и некоторые другие на диаграмме масса — радиус. Параметры планет показаны эллипсами, оси которых соответствуют ошибкам. Линиями показаны теоретические кривые для планет данного состава (справа). На графике есть единственная планета, того же состава, что и Земля (Кеплер-10b). Рисунок из презентации Джека Лиссауэра (Jack Lissauer). Изображение с сайта kepler.nasa.gov

Из конкретных сенсационных находок «Кеплера» наибольший резонанс вызвала система «Кеплер-11». В ней найдено сразу 6 планет, причем плотно «упакованных»: у всех орбита меньше, чем у Венеры, и у пяти меньше, чем у Меркурия. Этой системе посвящена отдельная статья в Nature (номер от 3 февраля). Важно то, что для всех этих планет оценена масса, причем новым методом: из-за взаимодействия планет друг с другом транзиты каждой из них оказываются не строго периодическими. Из моделирования взаимных возмущений удалось вытащить массы всех планет. Их размер известен из транзитов, так что известна плотность каждой. Оказывается, одна из планет системы состоит из смеси воды (льда) и камня, остальные имеют каменное или ледяное ядро, окруженное толстой водородно-гелиевой атмосферой, — нечто подобное Нептуну (см. рис. 3). Звезда «Кеплер-11» подобна Солнцу, поэтому все 6 планет находятся вне зоны обитания (слишком жарко). Система представляет из себя вызов для теоретиков: как эти планеты там оказались, и почему они держатся на стабильных орбитах, несмотря на взаимное гравитационное взаимодействие.

Итак, «Кеплер» безусловно осуществил новый прорыв в изучении экзопланет, причем сейчас мы наблюдаем лишь самое начало этого прорыва.