Источник (на английском языке): McDonald Observatory Press Release
19 ноября 2003 года

Ученые нашли простой и доступный способ поиска других солнечных систем

Если сказать точнее, астрономы Техасского Университета (г. Остин, США) нашли весьма недорогой, но требующий терпения и аккуратности способ для ответа на вопрос: существуют ли другие солнечные системы, похожие на нашу собственную.

Как известно, среди более чем сотни звезд, около которых к настоящему времени уже открыты планеты, астрономы почти не нашли планетных систем, похожих на нашу. Пока не совсем ясно, происходит ли это из-за чисто технических ограничений, свойственных поисковым методам, или же наша Солнечная система и вправду достаточно редкий экземпляр. Новый метод поиска экзопланет, предложенный астрономами из обсерватории Мак-Дональд, на удивление нетребователен: учитывая преимущества современных технологий, он может работать даже на телескопах эры Великой депрессии (построенных до второй мировой войны).

Астрономы Дональд Вингет и Эдвард Натер, аспиранты Фергал Муллалли и Аньюм Мукадем и их коллеги по существу ищут "останки" солнечных систем, подобных нашей. Иными словами их метод нацелен на то, что остается от таких систем после угасания центральной звезды, и опирается на одну особенность, свойственную белым карликам.

Рис. 1. Профессор Техасского Университета Дональд Вингет, руководитель программы поиска планетных систем, похожих на нашу собственную.

А что, собственно, останется от планетной системы после превращения солнцеподобного светила в белый карлик? Астрономы знают, что Солнце, к примеру, в фазе красного гиганта скорее всего поглотит Меркурий и Венеру, едва не дотянувшись до Земли. После этой фазы, наше центральное светило сбросит внешние покровы, образовав вокруг солнечной системы тончайшую расширяющуюся оболочку, видимую издалека как планетарная туманность, а на его месте останется голое ядро размером с Землю (белый карлик), вокруг которого будут вращаться избежавшие поглощения внешние планеты.

Солнечные системы именно на такой эволюционной ступени и будут доступны методу группы Вингета. Он базируется на более чем тридцатилетнем опыте изучения переменности белых карликов. В начале 1980-х астрономы Техасского Университета обнаружили, что некоторые белые карлики меняют свою яркость с очень высокой периодичностью. А недавно Вингет со своими коллегами сделал еще более интересное открытие: оказалось, что около трети таких ритмично "пульсирующих" белых карликов (далее ПБК) обладают точностью хода выше, чем у атомных часов и большинства миллисекундных пульсаров.

Точные пульсации блеска ПБК легли в основу нового метода. Планеты, обращающиеся вокруг таких белых карликов, неизбежно должны влиять на точность их "тикания", выдавая себя запаздыванием или опережением моментов прихода на Землю максимумов (и минимумов) их блеска. Благодаря высокой стабильности ПБК, по величине этих смещений астрономы могут вычислить свойства вызывающих их планет. (Легко видеть, что новый метод подобен тому, которым были открыты так называемые "планеты около пульсаров". Разница заключается лишь в том, что компаньоны пульсаров, как считается, формировались не вместе со своими звездами, а уже после взрыва сверхновой.)

"Поиск будет нацелен на белые карлики, которые, будучи звездами главной последовательности, имели массу в интервале 1-4 Мс. У них мы сможем обнаружить планеты с большой полуосью от 2 до 20 а.е. Таким образом для некоторых планетных систем мы заглянем как раз в комфортные зоны, - говорит Вингет. - Для начала, наш метод без труда обнаружит планету с массой Юпитера приблизительно на его же орбите".

"Без труда", но не так уж и быстро. Внешним планетам нужно более десяти лет для одного оборота по орбите. Следовательно, для уверенного обнаружения планеты около ПБК нужны годы наблюдений - пока планета пробежит достаточно значимую часть своей орбиты.

"Полная орбита - это очень долго, - продолжает Вингет. - Половины орбитального периода или даже его трети уже достаточно, чтобы говорить о целесообразности дальнейших поисков. Но половина орбитального периода для планеты на юпитерианской орбите - это как никак целых 6 лет! В принципе, обнаружить Юпитер на орбите Урана нашим методом технически еще легче (смещение центральной звезды больше); дело только во времени - его потребуется значительно больше".

Для поиска планет вокруг ПБК астрономы Техасского Университета создали новый специализированный инструмент Арго для 2,1-метрового телескопа имени Отто Струве - старейшего телескопа обсерватории Мак-Дональд. Арго по сути является очень точным ПЗС-фотометром, который устанавливается в главном фокусе рефлектора. Для работы ему не нужно никакой вспомогательной оптики, кроме главного зеркала телескопа. Копии прибора Арго сейчас собираются на некоторых других обсерваториях мира.

Рис. 2. Обсерватория Мак-Дональд, расположенная в горах Западного Техаса, известна сегодня прежде всего благодаря 9-метровому телескопу Хобби-Эберли. Однако исторически первым крупным телескопом этой обсерватрии был 2-метровый телескоп имени Отто Струве, названный в честь первого директора обсерватории. Введенный в строй в 1938 году, он стал в то время вторым в мире телескопом, уступавшим по силе только знаменитому 100-дюймовому рефлектору обсерватории Маунт-Вилсон в Калифорнии. Посмотрите внимательно на здание этого 2-метрового "ветерана". Легко заметить, что в те далекие времена астрономы еще совмещали свои жилые помещения с куполом телескопа - вещь, невиданная для современных обсерваторий. Сегодня в них находятся библиотеки и дневные оффисы. Благодаря постоянному совершенствованию этот телескоп исправно служит астрономам и сегодня.

С помощью этого точнейшего ПЗС-фотометра Фергал Муллалли уже сейчас ведет поиск планет вокруг ПБК на телескопе имени Отто Струве. У него на прицеле 22 белых карлика, большинство из которых были найдены во время проведения Слоуновского Цифрового Обзора Неба (SDSS). Когда кандидаты на обладание планетами будут найдены, их наблюдение будет продолжено на 9,2-метровом рефлекторе этой же обсерватории - телескопе имени Хобби-Эберли.

Рис. 3. Вне всяких сомнений телескоп имени Отто Струве выглядит необычно. Черная полуоткрытая труба и мощная стальная монтировка - за это многие астрономы считают его самым красивым инструментом обсерватории. Но сегодня он уже не может конкурировать с современными телескопами аналогичного класса в решении определенного круга задач (двухтонное главное зеркало из пирекса и прочие прелести...). К счастью, фотометрия звезд в главном фокусе к этому кругу не относится.

Рис. 4. Все, что требуется для поиска планетных систем, похожих на нашу собственную, - это закрепить в главном фокусе телескопа чувствительный фотометр и, набравшись терпения, мерять, мерять и еще раз мерять... Метод Вингета требует гораздо меньших материальных вложених по сравнению с большими проектами надземных телескопов и даже интерферометров. А результат тот же: на крупнейших наземных телескопах он позволит добраться до планет земного типа! Только что инженеры обсерватории положили телескоп Отто Струве "на бок" и установили в его главном фокусе фотометр Арго. Его сердцем служит крошечная ПЗС-матрица, на которую проецируется участок неба с поперечником 2,8 угловых минуты. Это как раз то, что нужно, чтобы в поле зрения вместе с белым карликом попала еще и хорошая звезда сравнения.

"Если мы найдем большие планеты, обращающиеся на значительных расстояниях от белых карликов, это будет хорошим знаком к тому, что на более тесных орбитах могут оказаться небольшие планеты земного типа. Чтобы это проверить, все, что от нас требуется, - просто навести на звезду как можно более крупный телескоп, который есть в нашем распоряжении, и продолжать следить за нею, - говорит Вингет. - Телескоп имени Хобби-Эберли позволит получить гораздо более точные временные параметры пульсаций ПБК и таким образом добраться до менее крупных планет".

"Этот метод позволит изучать и те типы звезд, которые пока недоступны лидирующему сегодня методу поиска экзопланет по доплеровскому сдвигу спектральных линий", - добавляет Вингет. Доплер-метод не очень чувствителен к тяжелым звездам с массой в 2 и более Мс. Около половины звезд на прицеле у Вингета будут как раз те белые карлики, которые начинали свою жизнь с такими массами. По этой причине, поиск планет около ПБК на обсерватории Мак-Дональд может помочь в выборе мишеней и общей стратегии наблюдений для таких будущих миссий НАСА, как SIM (Space Interferometry Mission), TPF (Terrestrial Planet Finder) и Кеплер, которые будут искать экзопланеты из космоса.

перевод:
А.И.Дьяченко, обозреватель журнала "Звездочет"

1). Комфортная зона - область планетных орбит около звезды, в которой планеты получают от своего светила как раз столько тепла, сколько необходимо для "комфортного" развития белковой жизни. Температура на таких планетах достаточно высока, чтобы вода пребывала там в жидком состоянии, и в то же время не так высока, чтобы "зажаривать" все живое. (вернуться...)

Помимо сотрудников Техасского Университета в поисковую программу Дональда Вингета вовлечены два учителя старших классов. Как нетрудно догадаться, это сделано в целях более широкого вовлечения в научную программу учителей и школьников. Метод Вингета прозрачен и понятен старшеклассникам, поэтому его аспирант Фергал Муллалли вместе с школьными учителями работает сейчас над тем, чтобы школьники с помощью Интернета могли следить за развитием программы поиска планетных систем около белых карликов непосредственно в своих классах.

Конечно, настоящим успехом этого замысла станет тот момент, когда заработает обратная связь, и эти же школьники смогут участвовать в работе профессиональных астрономов.

Очень интересна карта мира, на фоне которой запечатлен в самом начале пресс-релиза Дональд Вингет. Чтобы не заставлять вас возвращаться к началу страницы, приведем ее здесь еще раз. Только теперь перед нею стоит другой участник проекта, астроном Едвард Натер. Первое, что бросается в глаза - необычное расположение материков на карте. В центре мира находится Америка, а Евразия непривычно прячется за ее края. Однако в данном случае нам интересна вовсе не эта особенность карт Нового Света. Обратите внимание на флажки: ими отмечены обсерватории. Некоторые узнаются сразу, они всегда на устах: Гавайи, Канарские острова, Южная Африка. Но есть флажки, расположенные в малоизвестных местах, например в Бразилии, Израиле, Франции, Польше.

Рис. 5. Эдвард Натер, бывший бессменным директором WET в первые десять лет его работы, лишь недавно покинул этот пост. Ныне он является почетным директором Всемирного телескопа.

Когда в пресс-релизе говорилось, что копии прибора Арго собираются сейчас на других обсерваториях мира, имелись в виду прежде всего именно эти точки. Пришло время назвать изображенную на карте сеть телескопов: Всемирный телескоп (Whole Earth Telescope, WET). В эту сеть объединились астрономы, наблюдающие переменные звезды определенных классов, включая пульсирующие белые карлики. Время от времени телескопы этой сети (1-2,5 метрового класса) проводят серию фотометрических наблюдений избранной звезды, передавая эстафету с востока на запад таким образом, чтобы принявший эстафету телескоп все время находился на ночной стороне планеты. Благодаря этому выбранный объект наблюдается непрерывно, 24 часа в сутки. В этом и состоит изюминка необычной сети "среднекалиберных" телескопов под названием WET.

Стратегия

Вернемся на небо. Точнее, вновь обратим взгляд на белые карлики. По мере их остывания, когда температура падает до ~10 000 градусов, в их жизни наступает период, когда крошечная вырожденная звезда начинает пульсировать, меняя свой блеск с периодом от 100 до 1000 секунд. Уже сегодня известно более полусотни пульсирующих белых карликов, и это число продолжает расти. Типичные ПБК, ставшие мишенями в поисковом проекте Вингета, имеют период пульсаций около 200 секунд. Прибор Арго регистрирует их в видимом свете. Амплитуда пульсаций исключительно мала - порядка 2% (сотые доли звездной величины).

Высокая чувствительность Арго позволяет на телескопе 2-мерового класса измерить время наступления максимума блеска у пульсирующего белого карлика 19,5^m звездной величины с точностью до 1 секунды, а для более ярких белых карликов с блеском от 17,5^m и выше - достичь предельной временной разрешающей способности 0,1 секунды.

Грубо оценим, что увидели бы инопланетные астрономы, глядя на нашу собственную планетную систему откуда-нибудь из недалеких областей Галактики после превращения Солнца в белый карлик с массой ~0,55 Мс. Орбиты всех планет увеличились бы к тому времени пропорционально на множитель 1/0,55. Юпитер перешел бы на орбиту Сатурна. Учитывая, что отношение его массы к массе тогдашнего Солнца будет всего лишь порядка 500, радиус орбиты последнего относительно общего центра масс будет порядка 0,002 х 9,5 а.е., или около 3 млн. км.

Когда Солнце, превратившееся в белый карлик, начнет пульсировать, инопланетные астрономы заметят, что моменты наступления максимумов блеска будут то отставать, то опережать ожидаемые на 10 секунд, которые требуются свету, чтобы преодолеть 3 млн. км (при условии, конечно, что наше светило будет тикать с высочайшей точностью, которая наблюдается приблизительно у трети ПБК). Отставания и опережения наступлений моментов максимума блеска будут чередоваться с периодом, равным орбитальному периоду Юпитера на будущей орбите (около 40 лет).

Однако, как уже говорилось в пресс-релизе, наблюдающим за Солнечной системой астрономам не придется ждать так долго. Имея 2-метровый телескоп и фотометр Арго, а так же учитывая как минимум 10-кратный запас по точности (1 секунда даже для слабых звезд), они уже лет через десять заподозрят наличие Юпитера в нашей системе.

Дальше они должны будут сделать то же, что собирается сделать Вингет после нахождения звезды-кандидата: наблюдение за Солнечной системой должен продолжить один из крупнейших телескопов на той планете. Пусть это будет 9-метровый телескоп Хобби-Эберли.

Земля в те далекие времена будет находиться на орбите с радиусом почти 2 а.е. Учитывая, что Солнце будет приблизительно в 180 тысяч раз тяжелее Земли, получается, что вызываемые Землею отклонения в движении белого карлика будут иметь амплитуду порядка 1500 км. Значит временные сдвиги в кривой блеска будут иметь порядок 0,005 секунды. Это в 20 раз меньше предельной чувствительности Арго на 2-метровом телескопе для самых ярких пульсирующих белых карликов. Однако, 9-метровый телескоп собирает как раз в 20 раз больше света, чем его меньший собрат! И к тому же за 10 лет, пока инопланетные астрономы будут охотиться за Юпитером, инженеры, конечно, несколько усовершенствуют фотометры. Поэтому существование в Солнечной системе планеты Земля будет установлено весьма надежно и к тому же за очень короткий срок: год-два на открытие и еще три года на подтверждение.

Вот и все. Таков путь, на который призывают сегодня астрономов Дональд Вингет и его коллеги, повторяя при этом, что "рано или поздно, но неизбежно все планеты, вызывающие измеримые с Земли сбои в периодичности колебаний блеска высокоточных пульсирующих белых карликов неизбежно будут открыты". Дело лишь во времени и терпении.

Рис. 6. На схеме, рассчитанной для белого карлика с массой 0,55 Мс (конечная стадия звезды главной последовательности с массой около 1 Мс), показан предел чувствительности фотометра Арго на телескопе 2-метрового класса. По вертикальной оси отложен логарифм массы планеты, по горизонтальной - логарифм ее большой полуоси.

Красная, синяя и зеленая линии - это границы для области обнаружимых планет. Зеленая линия соответствует предельной чувствительности для самых слабых ПБК с блеском 19,5^m. Красная - для ярких ПБК с блеском 17,5^m и выше. Область над этими линиями - планеты, потенциально доступные методу Вингета. Для белых карликов различной яркости предельное временное разрешение тоже различно, поэтому для самых ярких из них граница смещена влево вниз (к более легким и близким планетам, то есть планетам земного типа). Разные цвета соответствуют разному времени, за которое свет проходит расстояние, равное радиусу орбиты пульсирующего белого карлика; для Арго это время является наименьшим регистрируемым отклонением моментов наступления максимума блеска ПБК относительно ожидаемого среднего значения.

Точками обозначены экзопланеты, найденные традиционным доплер-методом. Кружками - планеты Солнечной системы, правда по непонятной причине Вингет оставил их на своих нынешних орбитах. Но если их сдвинуть немного вправо, то есть увеличить радиусы их орбит настолько, насколько этого требует похудение Солнца к моменту превращения в белый карлик, то в зоне досягаемости окажутся все четыре планеты-гиганта, включая Уран - даже в случае наиболее тусклых белых карликов.

Пунктирными линиями обозначена минимальная продолжительность слежения за звездой, после которой уже можно заподозрить присутствии планеты в системе.

Земля очевидно не попадает в область досягаемых планет при работе на 2-метровом телескопе. Чувствительность надо поднять как минимум на порядок. Однако слежение за белым карликом с уже обнаруженной планетой-гигантом, производимое на 9-метровом телескопе, да еще через несколько лет, когда новые ПЗС-фотометры придут на смену Арго - это уже совсем другое дело.

А.И.Дьяченко, обозреватель журнала "Звездочет"