В 2018 году NASA отправило в космос телескоп Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS), в русскоязычных СМИ его назвали просто “охотник за экзопланетами”.

В 2018 году NASA отправило в космос телескоп Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS), в русскоязычных СМИ его назвали просто “охотник за экзопланетами”. Орбитальная обсерватория ищет небольшие каменистые миры и газовые гиганты вокруг карликовых звезд, используя метод транзитной фотометрии. Приборы телескопа отслеживают небольшие изменения в блеске звезды, и на основе этих данных специалисты могут узнать, обращается ли вокруг светила планета. 

Согласно сайту NASA, за два года работы на орбите TESS обнаружил 1765 кандидатов в экзопланеты, 42 из них было подтверждено. Самым любопытным миром, подтвержденным учеными, можно считать планету TOI-700 d, о которой 6 января 2020 года на 235-м заседании Американского астрономического общества (American Astronomical Society, AAS) в Гонолулу рассказали представители агентства.

Вот, что на пресс-конференции в январе 2020 года сообщила участник миссии TESS, аспирант Чикагского университета Эмили Гилберт:

«Мы открыли три экзопланеты, которые вращаются вокруг красного карлика TOI-700. Все тела находятся в созвездии Золотой Рыбы на расстоянии 100 световых лет от Земли. Один из этих миров очень напоминает Землю и расположен в зоне обитаемости»

Описание самой планеты было представлено в препринте на сайте arXiv.

После сообщений о TOI-700 d русскоязычные интернет-издания начали выпускать статьи с “громкими” заголовками: “…обнаружена “копия” Земли”, “…нашли пригодную для жизни планету” и т.д.  Разберемся, насколько заголовки соответствуют реальности, действительно ли TOI-700 d похожа на Землю и пригодна ли она для жизни вообще?

ЗВЕЗДА TOI-700

TOI-700 (также известна под обозначением 2MASS J06282325-6534456) — звезда, расположенная в созвездии Золотой Рыбы всего в 3° от южного полюса эклиптики, который находится в этом же созвездии. Видимая звездная величина (v) TOI-700 составляет 13.1, расстояние до Земли — 101,4 световых лет.

TOI-700 несколько раз попадала в поле зрения телескопов. Первоначально астрономы ошибочно отнесли ее к солнцеподобным звездам, в одной из версий Каталога входных данных TESS ее пометили как TIC 150428135. Чуть позже наблюдения с помощью широкополосных фотометрических систем, используемых для измерения потока электромагнитного излучения астрономических тел, показали, что TOI-700 намного меньше звезды спектрального класса M2, то есть является красным карликом. Дальнейшие исследования спектра излучения TOI-700, которые проводилось спектрографом Goodman на 4,1-метровом Южном астрофизическом исследовательском телескопе (SOAR) в Чили, позволили уточнить спектральный класс TOI-700. Оказалось, что эта звезда типа M2V.

Эмили Гилберт вместе с другими астрономами изучила 2500 архивных фотометрических измерений, выполненных 20 роботизированными телескопами в рамках программы автоматического поиска сверхновых ASASSN (All-Sky Automated Survey for SuperNovae Ying), и обнаружила периодические колебания яркости TOI-700. Амплитуда этих колебаний составила 1,26 ± 0,07% от среднего значения, эти данные помогли астрономам вычислить период обращения звезды вокруг своей оси — 54,0 ± 0,8 суток (для сравнения, период обращения Солнца вокруг своей оси равен 25,34 суткам на его экваторе и почти 38 суткам вблизи полюсов).

ПОИСК ЭКЗОПЛАНЕТ

В отличие от телескопа “Кеплер” (работал в космосе с 2009 по 2013 годы), обсерватория TESS наблюдает не за одним участком неба, а за разными областями космоса. Правда, астрономические объекты TESS изучает на куда меньшем расстоянии, чем “Кеплер”: на удалении всего 200 световых лет (“Кеплер” мог вести наблюдения на удалении до 3000 световых лет). 

После развертывания в космосе в 2018 году, обсерватория совершила маневр и перешла на рабочую орбиту с перигеем 108 тысяч км и апогеем 375 тысяч км. Космический аппарат вращается на орбите, которая никогда раньше не использовалась в подобных миссиях. Эллиптическая орбита обсерватории составляет ровно половину орбитального периода Луны. Это означает, что TESS делает полный оборот вокруг Земли каждые 13,7 дня.

Зона наблюдения телескопа поделена на 26 секторов размером 26?94°. Каждый сектор аппарат изучает как минимум 27 дней: из-за того, что некоторые сектора накладываются друг на друга, отдельные участки неба TESS исследует значительно дольше — до 351 дня для областей вокруг полюсов эклиптики. Забегая немного вперед, скажем, что наблюдения за звездой TOI-700 и ее тремя планетами, которые расположены в 3° от южного полюса эклиптики, телескоп вел с июля 2018 года по август 2019 года. 

Обсерватория исследует космос при помощи 4 камер с ПЗС-матрицами. Каждая такая камера имеет детектор с разрешением 16,8 мегапикселя и поле зрения 24?24°, аппаратура позволяет наблюдать за планетами, которые находятся близко к своим звездам.

Первую часть работы TESS завершит в июне 2020 года. Предполагается, что за два года наблюдений телескоп просканирует 85% площади неба. За это время космическая обсерватория изучит южную полусферу, а в июне приступит к обозрению северной.

Еще до того как TESS был выведен на орбиту, команда ученых сообщила, что по всем расчетам телескоп должен будет открыть от 500 до 1000 земель и суперземель и около 20 суперземель в потенциально пригодной для жизни зоне. Как мы отметили выше, на март 2020 года обсерватория уже обнаружила 1765 кандидатов в экзопланеты, 42 из них были подтверждены. 

Наибольший интерес вызывают три мира вокруг звезды TOI-700 — это планеты TOI-700 b, TOI-700 c и TOI-700 d с периодом обращения вокруг светила 9,98, 16,05 и 37,43 суток, соответственно. Все три планеты были открыты в 2019 году: TOI-700 b и TOI-700 c в ходе исследования пяти секторов, TOI-700 d после исследования восьми секторов. 

КАК ПОДТВЕРДИЛИ ЭКЗОПЛАНЕТЫ

В 2019 году, когда стало известно, что вокруг TOI-700 могут вращаться экзопланеты, ученые провели дополнительный анализ звезды. Специалистам необходимо было убедиться, что блеск красного карлика не ложный, то есть его создают не соседние звезды, а именно планеты, проходящие по диску TOI-700. 

Новые изображения, полученные с использованием рефлектора системы Кассегрена 8,1 м Zorro телескопа Gemini South на Гавайях и спекл-камеры телескопа SOAR, показали, что вблизи TOI-700 на расстоянии чуть более 70 млн км (0,54 а.е) нет никаких признаков других светил, которые создавали бы ложный блеск. Наблюдения наземными аппаратами и фотометрические данные TESS подтвердили, что блеск TOI-700 меняется из-за небольших объектов, находящихся вблизи звезды. 

Команда ученых во главе с Джозефом Родригесом из Центра астрофизики Гарвардского и Смитсоновского институтов обратилась к NASA с просьбой направить телескоп “Спитцер” в сторону красного карлика, чтобы подтвердить у светила наличие планеты в “зоне обитаемости” — TOI-700 d. “Зоной обитаемости” ученые называют расстояние от родительской звезды, на котором планета получает такое количество тепла, что вода на ее поверхности не превращается в лед, а существует в жидком состоянии.

“Спитцер” начал 9-часовой сеанс наблюдения красного карлика TOI-700 в октябре 2019 года. Исследование велось инфракрасной камерой Infrared Array Camera (IRAC) на длине волны 4,5 мкм. “Спитцер” собрал данные, которые указывали на то, что TOI-700 d — это планета, а также окончательно опроверг то, что светимость звезды TOI-700 создают сторонние объекты. 

ПОТЕНЦИАЛЬНО ОБИТАЕМЫЙ МИР

Итак, какова вероятность, что все три мира: TOI-700 b, TOI-700 c и TOI-700 d, могут быть пригодны для жизни? Любая оценка планеты земного типа требует наличия огромного количества данных о ней. Необходимо знать о свойствах этого тела, химическом составе атмосферы, вращении, эволюции ее летучих веществ. К сожалению, ученые такой “научной роскошью” не обладают. На ранних этапах наблюдений за экзопланетой им доступно куда меньше информации: период обращения планеты вокруг своей звезды, приблизительный размер и/или масса тела, некоторые важные свойства его светила. 

Ученые знают, как развивалась жизнь на Земле на протяжении миллиардов лет, как физика, биология и химия влияли на этот процесс. Специалисты используют эти знания, чтобы сравнивать экзопланеты с Землей и определять, являются ли эти миры “потенциально пригодными для людей”. Под “пригодными” ученые чаще всего понимают тела с такими условиями на поверхности, при которых может существовать жидкая вода — один из главных компонентов жизни, той жизни, которая нам известна. Здесь стоит оговориться. В космосе могут существовать планеты со средой очень отличной от земной, но способной поддерживать жизнь. Такие объекты будут не похожи на Землю.  

Чтобы определить потенциальную обитаемость экзопланет, вращающихся вокруг TOI-700, необходимо понять, к какому типу миров они относятся. Каменистые ли это планеты, подобные Земле (их называют еще «суперземлями»), или мининептуны — нечто среднее между газовыми гигантами и землеподобными планетами, такие объекты богаты летучими веществами. Если знать радиус и массу экзопланеты, можно рассчитать ее среднюю плотность, что, в свою очередь, поможет узнать ее объемный состав.  Хотя ученые и вычислили радиусы экзопланет, вращающихся вокруг TOI-700, высчитать их массы оказалось не так просто.

TOI-700 — сложная планетарная система. Все три экзопланеты здесь гравитационно взаимодействуют друг с другом, что постоянно изменяет время их транзита. Это особенно характерно для миров TOI-700 b и TOI-700 c, которые вращаются в резонансе 8:5 (восемь оборотов TOI-700 b вокруг звезды соответствуют по времени пяти оборотам TOI-700 c вокруг светила). 

Чтобы определить массу всех трех планет, Гилберт и ее команда использовали метод вариации времени транзитов (TTV). Этот метод позволяет измерить массу тел в системе из нескольких планет, наблюдая за изменениями их орбит под действием гравитации. Время прохождения каждой планеты перед родительским светилом изменяется, поскольку другие планеты либо “подталкивают” ее вперед, либо “тянут” назад. Если измерить последствия гравитационной силы, исходящей от планеты, можно вычислить и массу этого объекта.  

На основании рассчитанных масс и радиусов ученые предполагают, что самая большая экзопланета — TOI-700 c, имеет плотность в 1,9 раза большую, чем у воды, что говорит о присутствии там летучих веществ. Астрономы заключили, что TOI-700 c — мининептун с водородно-гелиевой атмосферой. 

Чтобы узнать плотность меньших экзопланет TOI-700 b и TOI-700 d необходимо провести дополнительный анализ, по времени он может занять до года. Все данные, которыми сейчас располагают специалисты, указывают на то, что в системе TOI-700 больше нет планет крупнее TOI-700 c, гравитационно взаимодействующих с тремя известными мирами.  

Гилберт и ее команда использовали программу FORECASTER, чтобы получить более точный диапазон масс трех экзопланет. Вот какие результаты представила программа: 1,07+0,80/-0,43 ME для TOI-700 b, 7,48+5,89/-3,30 ME для TOI-700 c и 1,72+1,29/-0,63 ME для TOI-700 d. Компьютерное моделирование с использованием диапазонов этих масс показывает, что система TOI-700 остается стабильной в течение длительного периода времени, то есть размеры планет не меняются сотни миллионов лет. Расчеты программы FORECASTER также показывают, что TOI-700 b и TOI-700 d могут быть скалистыми мирами, очень похожими на Землю.

Ученые предполагают, что из-за близости к светилу и сильного гравитационного воздействия все три планеты находятся в приливном захвате, то есть всегда повернуты к своей звезде одной стороной. 

“ЗОНА ОБИТАЕМОСТИ”

Еще один важный критерий, который можно использовать для определения того, является ли планета “потенциально пригодной для жизни” — количество энергии, получаемое от родительской звезды (Seff). 

В 2013 году астрофизик Рави Коппарапу опубликовал статью, в которой подробно рассказал о свойствах “зоны обитаемости”. По мнению исследователя, планета, расположенная ближе к светилу, чем внутренняя граница обитаемой зоны, будет сильно нагреваться его излучением. В результате вода с поверхности тела просто испарится. 

В 2017 году Коппарапу опубликовал еще одну научную работу. В статье он представил последние данные о том, как парниковые газы передают и поглощают инфракрасное излучение. В своем труде ученый предположил, что химические изменения в структуре атмосфер экзопланет размером с Землю, в результате которых вода испаряется, могут происходить при Seff  равном около 1,34 (расстояние 0,21—0,24 а.е).

“Когда планета теряет воду, карбонатно-силикатный цикл, который работает как термостат, разрушается, позволяя СО2 накапливаться в атмосфере. Это приводит к появлению “адской теплицы”, которую ученые наблюдают сегодня на Венере”, — утверждает в своей работе Коппарапу.

Ученые считают, что TOI 700 b и TOI 700 c имеют значение Seff 5,0 и 2,7, соответственно, то есть эти планеты находятся за пределами внутренней границы “зоны обитаемости”. Астрономы говорят, что TOI-700 b, возможно, сохранила атмосферу, и, вероятно, будет представлять собой более крупную и горячую версию Венеры. Учитывая низкую плотность TOI 700 c, что исключает наличие там земного состава, эта планета, скорее всего, очень теплый мининептун с горячей и плотной атмосферой, в которой преобладают водород, гелий и экзотический лед, существующий только при высоких температурах и давлениях. Даже если у этого мира есть спутник размером с Землю, при таком раскладе он все равно не будет пригоден для жизни, скорее всего, он будет напоминать Венеру.

Ситуация с TOI-700 d более радужная. Астрономы считают, что значение Seff  для этой планеты может быть 0,86+0,15/-0,12. Космическое тело находится во внутренней границе “зоны обитаемости”.

Астроном Габриэль Суисса из Центра космических полетов Годдарда NASA изучила 20 климатических моделей, чтобы вычислить приблизительную температуру на поверхности планеты и понять, могут ли условия на TOI-700 d быть пригодными для жизни. 

Суисса рассматривала лишь два типа моделей поверхности планет: с океаном глубиной 50 метров и пустынные, без воды. В анализ ученый включила и три вида атмосфер с разным давлением и химическим составом: 

— атмосферу современной Земли, где преобладает азот, а содержание углекислого газа и метана по объему составляет 400 и 1,7 миллионных долей;

— «архейскую», где содержание углекислого газа и метана было выше, чем сейчас (что согревало нашу планету, когда Солнце было моложе и тусклее);

— и «древнюю марсианскую», в которой доминировал, как считается, углекислый газ.

Исследователи исключили из анализа кислород, поскольку, в отличие от парниковых газов, он очень слабо влияет на температуру на поверхности планеты. Давление на планетах варьировалось от 0,5 до 10 атмосфер.

Специалист пришла к выводу, что средняя температура на TOI-700 d с водой на поверхности может варьироваться от -36,5°С до +91,1°С.  При условии «парникового эффекта» средняя температура для всех «водных» миров составляет -13°С. В самом «холодном» случае, когда в атмосфере отсутствовал углекислый газ и доминировал азот, свободными ото льда оставались всего 24% поверхности планеты и только тогда, когда светило находилось в зените.

При сходных условиях температуры планет-пустынь оказались примерно на 0,3-0,5°С ниже, чем для планет-океанов. Несмотря на то, что «сухие» миры технически не пригодны для существования жизни, ученые все равно включили их в анализ, так как они допускают существование полярных шапок или подповерхностных источников воды, которые могут создавать слабые гидрологические циклы.

«Наше исследование показывает, что на TOI-700 d может поддерживаться умеренный климат, а атмосфера планеты может обладать разнообразным химическим составом, — заключает Суисса. — На наш взгляд, на этой планете, возможно, имеются все необходимые условия для жизни»

Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что называть TOI-700 d “копией Земли”, конечно не стоит, у ученых еще нет всех данных, которые позволили бы так считать. Лучше говорить об этом мире, как о “потенциально пригодном для жизни”, это больше соответствует действительности. 

БУДУЩЕЕ

Ученые и дальше продолжат наблюдать за системой TOI-700, что позволит уточнить размеры этих экзопланет, а также “понять” их орбиты.