Сдвинуть звезду с места: как китайский космический телескоп будет искать Землю 2.0

Найти потенциально обитаемые планеты можно, буквально наблюдая, как они сдвигают с места свои звезды. Примерно этим и должен заниматься орбитальный телескоп, проект которого предложили китайские астрономы. Такой подход сработает с планетами, неуловимыми для других методов. Кроме того, он поможет определить массу экзопланеты и узнать еще кое-что важное.

Проект называется Closeby Habitable Exoplanet Survey (CHES), то есть «Обзор ближайших пригодных для жизни планет». Менеджеры NASA обязательно добавили бы еще одно слово, чтобы получилось CHESS или CHEES. Но в Поднебесной, видимо, не питают слабости к красивым английским аббревиатурам.

Цель CHES — найти планеты земной массы у ста солнцеподобных звезд. Точнее говоря, речь идет о звездах классов F, G и K (чуть горячее Солнца, совсем как Солнце и чуть холоднее оного соответственно). Все выбранные звезды находятся не дальше десяти парсек (около 33 световых лет) — буквально за углом в масштабах Галактики. Причем планеты предлагается искать не где-нибудь, а в зонах обитаемости. Говорят, планета находится в зоне обитаемости звезды, если расстояние до светила допускает существование жидкой воды. Попросту говоря, если океаны не испарятся под местным солнцем и не промерзнут до дна, тоскуя о его скупых лучах.

Дистанция от звезды до планеты жестко связана с периодом обращения (спасибо закону всемирного тяготения). Земля обращается вокруг Солнца за один год (неожиданная новость, верно?). Была бы ближе к светилу — справлялась быстрее. Но тогда здесь было бы жарковато для жизни, какой мы ее знаем. Так что, если уж мы ищем Землю 2.0 у Солнца 2.0, стоит предположить, что один оборот будет занимать примерно около года. А это плохая новость: ведь, чтобы убедиться в существовании экзопланеты, нужно засечь несколько ее оборотов. Поэтому авторы проекта предлагают CHES следить за подотчетными светилами целых пять лет.

Что ж, цель того стоит. Поиски жизни во Вселенной, как человека в лесу, нужно начинать с того места, где ее в последний раз видели. А видели мы ее на Земле, находящейся в зоне обитаемости Солнца.

Как будет работать CHES, если его запустят, и почему он сможет то, чего не могут нынешние охотники за планетами? Чтобы разобраться, поговорим сначала об обычных способах поиска экзопланет.

Транзитом через Вселенную

Астрономам известно около пяти тысяч экзопланет, и эта цифра обновляется чуть ли не ежедневно. Есть множество способов искать далекие миры, но почти все открытия пришлись на два из них.

Примерно 70% планет подарил нам метод транзитов. Вот как он работает.

Проведем мысленно прямую от телескопа к звезде — это, как говорят профессионалы, луч зрения на звезду. И это понятие нам еще понадобится. Допустим, планета, совершая свой регулярный обход звезды, зашла между нею и наблюдателем. Другими словами, она появилась на луче зрения. Планета затмит собой часть света звезды, так что телескоп «увидит», что светило слегка потускнело. Эти, так сказать, микрозатмения (транзиты) будут повторяться на каждом обороте экзопланеты вокруг звезды.

Предположим, лапчатые чешуйники с планеты Плюх ищут у Солнца планеты методом транзитов. Пусть они видят орбиту Земли с ребра. Тогда им повезло: наша планета для них периодически затмевает светило. Но заметить это будет нелегко. Земля довольно маленькая, так что ее транзит через прямую «Солнце — Плюх» ослабит наблюдаемый плюханами блеск нашей звезды всего на 0,008 процента. Чтобы вычленить из неизбежного шума столь слабое подмигивание, нужны очень хорошие телескопы. Например, запущенный в 2019 году HEOPS (как тебе такое, планета Плюх?).

Но ведь орбита планеты не обязана пересекать луч зрения на звезду. Вот панцирные стрекозоиды с планеты Вжух взирают на Солнце с полюса. Ну вот так уж неудачно расположен Вжух. Ни один из миров Солнечной системы никогда не пройдет между Солнцем и Вжухом. Никаких микрозатмений нашей звезды для вжухан не будет. Братья по разуму могут подумать, что у Солнца вообще нет планет.

Мы и сами постоянно находимся в положении незадачливых стрекозоидов. По оценкам теоретиков, лишь около 10% планет в Галактике так удачно ориентированы, что их можно заметить с Земли методом транзитов. Остальные «проходят ниже радаров», точнее — мимо нашего луча зрения на их звезды.

Танцы со звездами

Второй важный способ искать планеты — метод лучевых скоростей. На его счету примерно 20% открытий.

В чем суть? Не только планета притягивается к звезде, но и звезда к планете. По мере того как экзопланета обходит свое светило по орбите, оно тоже движется, как бы пританцовывая на месте. В этом периодическом движении звезда то чуть-чуть приближается к телескопу наблюдателя, то удаляется от него. Изучив спектр светила, можно заметить это движение и вычислить его скорость (для искушенных читателей уточним: благодаря эффекту Доплера).

Договоримся, что направление от нас по лучу зрения — это «вперед», а в обратную сторону — «назад». Понятно, что любое движение звезды можно разложить по трем осям: вперед-назад, вверх-вниз и влево-вправо. Так вот, из спектра мы можем вытащить только ту скорость, с которой звезда движется вперед-назад. То есть сдвигается вдоль нашего луча зрения. Поэтому и говорят о методе лучевых скоростей.

Лучше всего, если мы видим орбиту планеты с ребра. Останутся лишь две компоненты скорости из трех: вперед-назад и влево-вправо. И в определенные моменты звезда будет сдвигаться только вперед-назад. Она будет двигаться строго по лучу зрения, и вся ее скорость станет лучевой. То есть нашим братьям плюханам, видящим Солнечную систему с ребра, опять повезло с географией.

Как они справятся с поисками Земли? Нашу планету не назовешь массивной, так что своим притяжением она придает Солнцу скорость лишь девять сантиметров в секунду. Чтобы обнаружить такую лучевую скорость, техника плюхан должна быть в пять-десять раз лучше земной. И это при их идеальном расположении.

Теперь представим, что плоскость орбиты планеты находится, скажем, под углом 30 градусов к лучу зрения (то есть к нашей условной горизонтали). Под действием гравитации планеты звезда теперь будет двигаться не только вперед-назад и вправо-влево, но и вверх-вниз. Скорость звезды, и без того невеликая, будет разлагаться уже по трем векторам вместо двух. И чем «вертикальнее» будет вставать орбита, тем меньше останется «горизонтальной» лучевой скорости.

Так, а что там наши стрекозоиды, луч зрения которых проходит через полюса Солнца? Увы, они снова не заметят никаких планет. Да, метод лучевых скоростей не так требователен к ориентации орбиты, как транзитный. Он может засечь и планету, не пересекающую луч зрения. Но уж движение, почти перпендикулярное оному лучу, — это чересчур. Там и лучевой-то скорости, считай, вовсе нет.

Кстати говоря, если лучевой метод универсальнее транзитного, почему он дал нам меньше открытых планет? По чисто техническим причинам. Получить качественный спектр звезды куда сложнее, чем измерить ее блеск. Так что «транзитеры» давят «лучевиков» количеством обследованных светил. Но это к слову.

Не думай о микросекундах свысока

Итак, у двух самых освоенных методов поиска экзопланет есть обширная слепая зона. Это планеты, орбиты которых лежат под большим углом к нашему лучу зрения на некую звезду. Метод транзитов сдается сразу: ему подавай затмение! Метод лучевых скоростей универсальнее, но слишком большие углы и для него фатальны.

А вот подход CHES прекрасно сработает в слепой зоне и транзитного, и лучевого метода. Более того, несчастная планета Вжух (это где стрекозоиды, напомним) для него — идеальный наблюдательный пункт, чтобы обнаружить Землю. Однако и плюхане не остались бы в обиде, заполучи они китайский телескоп: он сможет открывать планеты и на луче зрения.

Что же это за удивительный метод и почему он до сих пор не завалил нас экзопланетами?

Такой подход называется микросекундной астрометрией. Астрометрия тут — определение координат звезды на небе. А микросекунды (угловые) — точность, с которой они определяются.

Вспомним, на чем стоит метод лучевых скоростей. На том, что звезда чуть-чуть сдвигается, поддаваясь притяжению собственной планеты. К черту спектры и эффект Доплера. Можем ли мы просто увидеть, как светило приплясывает на небе?

В принципе, да, можем. Только определять положение звезды придется очень-очень точно. Велико ли видимое смещение Солнца, вызванное тяготением Земли? При взгляде с десяти парсеков — 0,3 угловой микросекунды.

Достигнуть такой точности — задача не из легких. Она несколько упрощается, если измерять смещение звезды не относительно ее среднего положения, а относительно шести-восьми опорных звезд. Эти последние должны быть «прибиты к небу гвоздями». Другими словами, достаточно далеки от Земли, чтобы любыми их движениями можно было пренебречь. По расчетам китайских ученых, тысяча парсек — подходящая дистанция для таких реперов.

Но даже этот прием не отменяет того, что телескоп должен быть чудом техники. Да еще узкоспециализированным под свою задачу, в отличие от универсальных инструментов типа «Хаббла» или «Уэбба». Определять положения звезд с микросекундной точностью — весьма специфическое занятие, с которым справится только специально для этого созданный телескоп.

Вот и ответ, почему каталоги до сих пор не пестрят «астрометрическими» экзопланетами. Такие наблюдения просто не на чем выполнять. Кроме разве что космического картографа Gaia. Вот для нее астрометрия — хлеб насущный, ее задача — определять точные местоположения звезд. И несколько экзопланет вышеописанным способом «Гайя» (или, если хотите, «Гея») уже открыла. Но для нее это побочный результат: нет у богини времени пялиться на каждую звезду по пять лет, ей Галактику картографировать надо. Так что потенциально обитаемым мирам остается ждать своего шанса, или CHES’a.

Игра и свечи

Для CHES нет «мертвых» орбит. Он, станет, пожалуй, первым инструментом, которому можно дать список звезд и сказать: найди там все потенциально обитаемые планеты. Этот охотник ничего не пропустит, хватило бы времени и точности.

Кроме того, новый телескоп поможет вычислить массу обнаруженных планет. Ведь чем массивнее тело, тем сильнее оно сдвигает свою звезду. Это, кстати, «умеет» и метод лучевых скоростей для тех планет, которые ему доступны.

Наконец, CHES сможет определять наклонение орбиты экзопланеты (угол между орбитой и экватором звезды). А эта информация недоступна ни методу лучевых скоростей, ни методу транзитов. Между тем она должна пролить свет на законы формирования планетных систем.

И все же для инструмента, по технической сложности сопоставимого с ее величеством «Гайей», подобные задачи выглядят чересчур скромными и узкоспециальными. Обывателю может казаться, что нет ничего важнее и интереснее потенциально обитаемых планет. Но у профессиональных астрономов другой взгляд на вещи. «Гайя» оправдала вложенные усилия (и миллиард долларов) трехмерной картой нашего района Галактики и самым богатым звездным каталогом в истории. Оценят ли эксперты так же высоко значимость CHES — вопрос открытый. Пока это лишь проект, и решения о его финансировании еще никто не принял.