CHEOPS: космический телескоп для тысяч планет

Сегодня ракета «Союз-СТА» с разгонным блоком «Фрегат» запустила с космодрома Куру во Французской Гвиане европейский космический телескоп CHEOPS. Хотя речь идет о небольшом телескопе, в чьи задачи даже не входит поиск экзопланет, он, скорее всего, откроет множество таких объектов. Разбираемся, почему так выйдет и что станет его более важной задачей.

Запуск CHEOPS с помощью ракеты «Союз-СТА» с разгонным блоком «Фрегат».

Как ищут экзопланеты

Самую первую экзопланету обнаружили еще в 1989 году методом лучевых скоростей. Суть его — в поиске периодических смещений звезды, которую чуть-чуть «покачивает» на ее месте гравитация ее планет. Сдвиг звезды слишком слабый — напрямую его сложно увидеть. Но он меняет спектр фотонов излучения от него, и это уже можно заметить на земном спектрометре. Длина периода такого «покачивания» равна периоду вращения экзопланеты вокруг своего светила.

Смещение звезды во время «покачиваний» прямо зависит от массы планеты, поэтому метод весьма информативен: он позволяет понять, какую именно планету мы открыли — аналог Марса (в десять раз легче Земли) или газового гиганта (в сотни раз тяжелее). Проблема метода в том, что он требует огромной чувствительности аппаратуры и наблюдений в идеальных условиях — желательно за пределами атмосферы.

Есть более быстрый способ найти экзопланету — транзитный. При нем астрономы наблюдают за диском интересующей их звезды. Когда ее яркость периодически падает, это значит, что между светилом и Землей проходит какое-то тело. По изменению светимости чужой звезды можно определить размеры найденной экзопланеты. Именно таким методом космический телескоп «Кеплер» обнаружил более четырех тысяч других планет, фактически положив начало эре интенсивного изучения других планетных систем.

У этого способа тоже есть ограничения: далеко не все планетные системы во Вселенной находятся в одной плоскости с нашей. То есть зачастую у звезды есть планеты, но они никогда не проходят между ней и Землей, потому что далекая планета и наша Земля лежат в разных плоскостях.

Легко увидеть, что в идеале хорошо бы изучать экзопланеты обоими методами. В самом деле: транзитный дает размеры, а метод лучевых скоростей — диаметр небесного тела. Зная эти параметры, можно выяснить плотность другого небесного тела. А именно от нее зависит его возможная обитаемость.

Скажем, астрономы открыли десятки планет в так называемой обитаемой зоне, на таких расстояниях от родительских звезд, где температура позволяет существовать жизни земного типа. Но обитаемы ли эти планеты на самом деле?

Газовые гиганты в «зоне обитаемости» будут слишком горячими: у них плотная атмосфера с сильнейшим парниковым эффектом. Планеты без атмосферы — типа Меркурия — будут слишком холодны: тепло не задержится на их поверхности. В Солнечной системе отличить одно от другого несложно. Но, чтобы сделать это в другой системе, нужно знать плотность. Газовые гиганты по плотности всегда малы, твердые планеты — всегда плотны.

Гонка уточнений

Космический телескоп CHEOPS, запущенный 18 декабря 2019 года Европейским космическим агентством, занимается именно этой задачей. Его название так и расшифровывается: спутник, характеризующий экзопланеты (CHaracterising ExOPlanets Satellite). По идее, он должен наблюдать только транзиты планет вокруг звезд, где ранее методом лучевых скоростей уже были найдены признаки «покачиваний». То есть CHEOPS поймет, находится ли найденная до того методом лучевых скоростей планета (и ее система) в одной плоскости с телами Солнечной системы. И если это окажется так, сможет выяснить радиус подобных экзопланет.

Что интересно, астрономы уже сейчас уверены, что CHEOPS, хотя и не должен открывать новые тела, согласно задумке своих создателей, все же будет это делать. Дело в том, что планеты редко встречаются поодиночке. По современным представлениям, каждая планетная система имеет несколько крупных, «настоящих» планет. А метод лучевых скоростей находит планеты с большим трудом (слишком высокая точность приборов для этого нужна). Для него достоверное обнаружение сигнала даже от одной планеты у одной звезды — большой успех. Транзитный метод позволяет найти все экзопланеты, проходящие между своим светилом и нами, поэтому он позволит «доразведать» чужие системы и обнаружить дополнительные планеты там, где их пока известно по одной штуке.

Сколько конкретно новых планет удастся открыть аппарату и насколько он расширит наши знания об уже открытых, пока сложно сказать. Однако у него может быть еще одна функция: превращение кандидатов в открытия. Дело в том, что американский космический телескоп «Кеплер» в свое время обнаружил 20 тысяч кандидатов в экзопланеты, но лишь для нескольких тысяч смог получить высокую надежность открытия. Остальные так и зависли в статусе кандидатов, хотя среди них есть много интересных тел, лежащих в зоне обитаемости. Возможно, новый европейский спутник позволит превратить часть из них в планеты с подтвержденным статусом.

Маленький, но значимый

CHEOPS — небольшой аппарат, 1,5 на 1,5 на 1,5 метра. Его масса всего 280 килограммов, а телескоп — диаметром 0,3 метра. Это и правда немного: комету Борисова российский астроном-любитель открыл на собственном телескопе, который был в два раза больше.

Поэтому задачи новому аппарату подбирали с особой тщательностью. Он наблюдает в ближней части инфракрасного диапазона за относительно яркими звездами, причем такими, где есть хотя бы по одной планете-кандидату с периодом вращения вокруг своей звезды не более 50 земных суток. Причем речь идет именно о телах размером между Землей и Нептуном — то есть тех, что могут быть обитаемыми.

Для того чтобы поиску не мешал свет Солнца, CHEOPS выведут на полярную орбиту высотой в 700 километров — так, чтобы космическая мини-обсерватория все время находилась рядом с границей земных дня и ночи, оставаясь затененной планетой. Это весьма важно, поскольку позволит подолгу наблюдать один и тот же объект (чужую систему) без периодов «ослепления» Солнцем.

Аппарат, кроме того, оснащен весьма продвинутой матрицей для получения снимков — благо эта область техники далеко ушла за десяток лет, прошедших с запуска «Кеплера». За счет этого CHEOPS увидит изменения в кривой светимости планет, вызванной «подсветкой» их атмосферы родительской звездой. А это позволит выяснить, во-первых, есть ли у планеты вообще какая-то атмосфера; во-вторых, в ряде случаев станут примерно ясна ее толщина и то, есть ли там облака.

Все эти факторы крайне важны для понимания потенциальной обитаемости. Например, у Марса атмосфера тонкая, а облака из водяного пара и кристалликов льда крайне редки (не так давно считали, что их там вообще нет). На Земле, напротив, есть и то и другое. Несложно понять, какая из этих планет выглядела бы более пригодной для жизни, наблюдай нашу систему инопланетные астрономы. То есть и здесь европейский спутник позволит лучше разобраться в обитаемости далеких тел.

Подведем итоги. Новый европейский спутник показывает, что при современном уровне техники даже относительно небольшие, легкие и недорогие аппараты способны внести огромный вклад в изучение далеких планет. Можно только сожалеть о том, что не все страны готовы выделить даже такие умеренные суммы на получение значимых результатов. Несмотря на это, новое поколение космических обсерваторий обещает нам куда лучшее понимание других планетных систем уже в ближайшие годы.