TESS: в погоне за ближайшими экзопланетами

В 1995-м году астрономы обнаружили первую планету, вращающуюся вокруг похожей на Солнце звезды. Несмотря на такой прорыв, область экзопланетологии находилась в зародышевом состоянии ещё как минимум десяток лет. Исследователи не были уверены в том, сколько много или мало планет вращается вокруг других звёзд. Поэтому наша исследовательская группа из Института астрофизики и космических исследований Массачусетского технологического института начала совместную работу с ребятами из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики. Мы думали о том, каким образом можно перепрофилировать запущенный в 2000-м году спутник HETE-2 для поисков сигналов транзитных экзопланет.

Мы знали, что созданные в MIT звёздные датчики способны отслеживать колебания яркости звёзд вплоть до десятой доли процента. Такой уровень точности позволял обнаруживать так называемые горячие юпитеры – планеты-гиганты, которые располагаются очень близко к своим звёздам. В 2005-м году мы предложили NASA дать HETE-2 новую задачу и новое имя. Переименованный в HETE-S, аппарат должен был исследовать почти всё небо в поисках транзитов горячих Юпитеров в течение пяти лет и с небольшими затратами (примерно 2 миллиона долларов в год). Но NASA отклонило наше предложение, отметив, что вскоре будет запущен значительно более мощный космический телескоп – Kepler. Эта гораздо более масштабная миссия стоимостью 600 миллионов долларов была посвящена поиску транзитных экзопланет.

Что ж. HETE-S так и не был воплощён в реальность. Зато этот проект дал почву для создания TESS. Миссия TESS является результатом более чем десяти лет усердной работы. Её основной целью является обнаружение в окрестностях Солнца транзитных экзопланет, на которые будут нацелены телескопы следующего поколения.

Рождение TESS

Хотя NASA и отклонило наше предложение по HETE-S, мы поняли что на основе платформы HETE-2 можно создать небольшой аппарат, оснащённый более новыми камерами. Он мог получиться достаточно недорогим, чтобы на его создание можно было привлечь частное финансирование. Этот новый спутник мы назвали TESS-P. Он мог выполнять неглубокий широкоугольный обзор всего неба, дополняя глубокие поиски телескопа Kepler, но охватывая в 400 раз большую площадь.

В 2006-м – 2007-м годах Kavli Foundation, Смитсоновская астрофизическая обсерватория, Google и группа ведомственных и частных спонсоров Массачусетского технологического института искали для TESS финансирование. К сожалению, вмешался Мировой экономический кризис 2008-го года, и большинство потенциальных спонсоров не cмогли профинансировать наш план.

Поэтому, когда NASA в том же году выдвинуло запросы по программе SMEX (Astrophysics Small Explorer), мы решили предложить агентству TESS в качестве своего проекта, хотя до окончания срока подачи заявок оставалось всего два месяца. Проект стал одним из трёх, что были одобрены для проведения подробных исследований по фазе А, но дальше дело не пошло. В 2009-м году фаза А завершилась, а TESS для запуска выбран не был.

Мы немедленно начали подготовку к следующему запросу NASA, заявки на который должны были поступить в 2011-м году. Агентство вновь выбрало TESS для проведения исследований в рамках фазы А, но на этот раз в качестве исследовательской миссии среднего класса (MIDEX). И здесь к нам пришёл успех: в апреле 2013-го года TESS была выбрана как миссия-победитель класса MIDEX с целью последующего финансирования!

В течение следующих пяти лет мы собрали высококвалифицированную и преданную делу команду для проектирования, создания, запуска и получения научных данных с TESS. В эту команду, которая в конечном итоге посвятила работе более миллиона часов, вошли сотрудники из Института астрофизики и космических исследований и Лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института, Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики, Центра космических полётов имени Годдарда и Исследовательского центра Эймса, Института исследований космоса с помощью космического телескопа, а также компаний Orbital ATK (ныне часть Northrop Grumman), Aerospace Corporation и SpaceX. Кроме того, для создания программы наблюдений TESS свои усилия объединила научная группа астрономов из более чем десятка университетов по всему миру.

Получение хорошего обзора

Проект TESS был запущен в 2014-м году. Его основная научная цель состоит в поиске тысячи лучших малых экзопланет в окрестностях Солнца. Под «лучшими» в данном случае подразумеваются экзопланеты с измеримой массой, а также атмосферами, которые могут быть изучены при помощи готовящегося к запуску космического телескопа имени Джеймса Уэбба (JWST). По сути, TESS станет поисковым прицелом для JWST, ища землеподобные экзопланеты, вращающиеся как вокруг солнцеподобных звёзд, так и вокруг красных карликов в радиусе около 200 световых лет от нас. TESS послужит своего рода мостом от миссии Kepler к миссии JWST, а также к другим крупным космическим проектам поиска экзопланет, запуск которых планируется в будущем.

Самым важным моментом в планировании миссии был выбор орбиты, которая обеспечила бы обзор неба без помех – в частности, Земли. TESS должен проводить непрерывные наблюдения в огромном поле зрения (более 2 000 квадратных градусов) в течение нескольких недель подряд. Для того чтобы найти планеты, ему нужно увидеть по крайней мере два или три транзита. А транзит небольшой планеты может длиться всего один или два часа каждые пару недель. Исходя из такой скорости сбора данных, телескоп также должен передавать огромное количество изображений для поиска наземным наблюдателям.

Удалённые от Земли орбиты, такие как гелиоцентрическая орбита телескопа Kepler или гало-орбита вокруг точки Лагранжа системы Солнце-Земля телескопа им. Джеймса Уэбба, казались хорошим вариантом. Но связь с таких расстояний превысила бы любой разумный бюджет времени работы антенны, на который маленькая миссия могла бы рассчитывать, работая через Сеть дальней космической связи NASA.

В качестве решения был выбраны новый тип эллиптической орбиты, на которой аппарат проводит небольшую часть времени вблизи Земли для передачи данных, а его подавляющую часть — находится на расстоянии, сравнимом с дистанцией до Луны. Как правило, такие орбиты заведомо нестабильны и могут привести к тому, что космический аппарат в течение нескольких лет врежется либо в Луну, либо в Землю. Нашим уникальным решением оказалась почти что магическая орбита вокруг Земли, находящаяся в благоприятном резонансе 2:1 с орбитой Луны. Поскольку эта специфическая орбита, называемая P/2, ранее никогда не использовалась в космических полётах, нашей команде пришлось потратить огромное количество времени на анализ того, как её установить и поддерживать.

Чтобы убедиться в достоверности наших результатов, мы поручили двум разным группам – из Aerospace Corporation и Центра космических полётов им. Годдарда – работать над расчётами независимо друг от друга. В итоге наша орбита оказалась одновременно элегантной и практичной. Она также дала несколько серьёзных преимуществ, некоторые из которых нас удивили. Особенно – превосходная термостабильность камер телескопа и низкий уровень радиации, которой подвергался космический аппарат. Среди других преимуществ – высокая скорость передачи данных и низкий уровень рассеянного фонового света.

Успех основной миссии

18-го апреля 2018-го года космический телескоп TESS отправился в космос на ракете SpaceX Falcon 9. Спустя 42 дня аппарат прибыл на свою рабочую орбиту, а 8-го июля началось первое обзорное наблюдение в рамках его основной миссии. В течение следующих двух лет четыре широкоугольные камеры TESS систематически проводили наблюдения неба. В ходе первого года TESS наблюдал 13 секторов Южного полушария размером 24 на 96 градусов в течение 27,4 суток каждый. На второй год работы TESS переключился на наблюдение 13 одинаковых по размеру секторов на северном небе.

Огромный поток данных за первые три года работы TESS дал тысячи новых кандидатов в экзопланеты, разбросанных по всему небу. И задача по определению материнских звёзд этих кандидатов в основном выпала на долю небольшой группы аналитиков. Команда TESS Objects of Interest (TOI) состояла в основном из студентов и постдоков Массачусетского технологического института и Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики. Группа работала в течение последних трёх лет, изучая кривые блеска более чем десяти миллионов звёзд ярче 13-й звёздной величины.

Многочасовой труд команды привёл к выявлению примерно 3000 новых кандидатов в экзопланеты. По нашим оценкам, к середине этого десятилетия эта масштабная детективная работа, в которой будут помогать и новые, находящиеся в стадии разработки, методы машинного обучения, позволит найти до 10000 новых кандидатов. В эту огромную коллекцию должны входить практически все лучшие планеты в окрестностях Солнца для детального наблюдения и изучения их атмосфер.

Программа последующих наблюдений TESS (TFOP), координируемая нашими коллегами из Смитсоновской астрофизической обсерватории, является результатом усилий более 550 астрономов из 100 организаций по всему миру. Эти исследователи сортируют и отслеживают богатую коллекцию TOI, используя около 250 телескопов. Астрономы TFOP сократили список TOI с трёх тысяч до примерно 100 так называемых экзопланет первого уровня, подтверждённых TESS. Все планеты первого уровня небольшие, с радиусом менее чем в четыре раза превышающим радиус Земли. Благодаря измеренными командами TFOP массам мы подтвердили, что эти небольшие планеты представляют собой суперземли и субнептуны. Более того, среди планет первого уровня есть особая подгруппа, участники которой похожи на Землю как по размеру, так и по массе.

Среди кандидатов в планеты от TESS есть тела разного размера. И около 25 процентов TOI – это вовсе не планеты, а далёкие затменные двойные звёзды, поведение которых напоминает транзиты экзопланет. Продолжающиеся наблюдения с помощью телескопов с более высоким угловым разрешением, таких как космическая обсерватория Gaia, позволят астрономам отделить эти системы от планетных.

TESS также совершает революцию в изучении многопланетных систем, особенно тех, в которых имеется шесть или более миров. Такие системы были первоначально обнаружены телескопами Kepler и TRAPPIST. К сожалению, эти ранние открытия были сделаны на орбитах относительно слабых звёзд (обычно 14-й звёздной величины), что затрудняет их изучение.

По состоянию на начало 2021-го года TESS обнаружил более 80 новых многопланетных систем. Четыре последних, каждая из которых содержит четыре или более планет, находятся гораздо ближе к Земле, чем системы, обнаруженные Kepler и TRAPPIST, поэтому звёзды в них примерно в 30-50 раз ярче. Их будет гораздо легче изучать другим наблюдателям. Более яркие материнские звезды также облегчают работу для телескопа им. Джеймса Уэбба и следующего поколения гигантских наземных телескопов 30-метрового класса, позволяя им исследовать атмосферы этих планет методом спектроскопии. А в атмосферах планет у более ярких звёзд больше шансов обнаружить потенциально интересные биологические сигнатуры.

Расширенная миссия

После окончания основной двухлетней миссии в июле 2020-го года, телескоп TESS перешёл в рамки одобренной NASA расширенной программы наблюдений, которая продлится 26 месяцев. Это позволит TESS искать планеты вокруг ещё более отдалённых звёзд, а также продолжить наблюдения за некоторыми из миров, открытых в ходе основной миссии.

Расширенная миссия состоит из трёх основных инициатив. Во-первых, TESS проведёт повторный обзор всего неба, обозревая Южное полушарие в первый год и Северное – во второй. Кроме того, телескоп проведёт 135 дней, исследуя полосу шириной 12° вдоль плоскости эклиптики, которая не была исследована в ходе основной миссии, поскольку мы были сосредоточены на полном охвате зон непрерывного наблюдения для JWST, окружающих Северный и Южный полюса эклиптики. Миссия K2 космического телескопа Kepler исследовала плоскость эклиптики с 2014-го по 2018-й год. Однако погрешности в измерениях времени транзита означают, что некоторые обнаруженные в ходе K2 планеты могут быть фактически утеряны, поскольку за полдесятилетия с момента их открытия, реальные транзитные периоды этих планет дрейфуют относительно измеренных, как пара несинхронно тикающих часов. TESS должен восстановить статус большей части из этих более чем 400 подтверждённых телескопом Kepler планет.

Во-вторых, теперь TESS делает полнокадровые снимки каждые 10 минут, что намного быстрее в сравнении с 30-минутными экспозициями в основной миссии. Высокая частота снимков должна помочь поймать короткие транзиты экзопланет продолжительностью до 40 минут. Это позволит обнаружить больше землеподобных планет в обитаемых зонах красных карликов, которые составляют около 75 процентов наблюдаемых в нашей галактике звёзд. В целом, это улучшение может утроить количество планет, которые мы ожидаем найти – с 50 до 150. Или даже больше.

Наконец, в рамках расширенной миссии приглашённые исследователи смогут выбрать по меньшей мере 80 процентов целей в режиме двухминутной периодичности. В этом режиме TESS каждые две минуты даёт изображение нескольких пикселей вокруг одной звезды. Такое ускоренное наблюдение позволяет поймать начальную или конечную фазу транзитов ярких планет. Остальные 20 процентов целей с двухминутной периодичностью будут состоять из наиболее перспективных планет группы TOI, обнаруженных в ходе основной миссии.

Революционный эффект

Благодаря нашей политике открытости и высокому качеству данных, количество и объём изображений и кривых блеска TESS, загруженных из Архива космических телескопов Барбары Энн Микульски (MAST), были необычайно высоки. За прошлый год пользователи загрузили в общей сложности 680 терабайт данных, что примерно в семь раз превышает объём данных, загруженных за тот же период у миссий Hubble и Kepler. Только в декабре 2020-го года поступило около 5 миллионов запросов на получение в общей сложности около 50 терабайт данных.

По состоянию на март 2021-го года TESS обследовал в общей сложности 34 сектора и выявил 2597 TOI. Из них 755 имеют радиус в четыре раза меньше, чем у Земли, а 120 подтверждены – пока что – как планеты. Ещё десятки находятся в процессе изучения. Первая планета миссии, Pi Mensae c, является суперземлёй. Она в четыре раза массивнее и в два раза больше Земли. Планета совершает один оборот вокруг звезды Пи Столовой Горы каждые шесть дней. Ещё TESS обнаружил TOI-700 d – планету размером с Землю, вращающуюся в обитаемой зоне красного карлика, где условия подходят для поддержания жидкой воды на поверхности. Также есть LHS 3844 b – суперземля, настолько близкая к своей звезде, что один год на ней длится всего 11 часов, а дневная температура достигает 531-го градуса Цельсия.

Данные TESS послужили основой для более чем 300 научных статей, написанных только в 2020-м году. И хотя большинство из этих работ посвящено новым открытиям экзопланет, иные представляют собой исследования того, как звёзды меняются, колеблются, вращаются и генерируют вспышки. Гражданские учёные могут легко работать с данными TESS через проект Planet Hunters TESS Zooniverse. Это привело к открытию множества планет, включая TOI 1338 b – первой обнаруженной TESS планеты с кратной орбитой, то есть находящейся в двойной звёздной системе.

Сейчас этот небольшой, но мощный телескоп проводит второй полный обзор неба. Он продолжит открывать множество разнообразных миров, которые живут по соседству с Солнцем – как похожих, так и непохожих на наш собственный. В дальнейшем такие аппараты, как космический телескоп им. Джеймса Уэбба, космический телескоп Нэнси Грейс Роман, а также телескоп Европейского космического агентства ARIEL, будут изучать этот длинный список близлежащих миров более подробно, исследуя их атмосферы и состав, чтобы узнать больше о том, как формируются и эволюционируют экзопланеты. Возможно, одна из этих обсерваторий даже сорвёт джекпот: обнаружит потенциальные признаки жизни на планете, впервые идентифицированной TESS.