В поисках Земли 2.0 в двойных звёздных системах

Астрономы открыли тысячи экзопланет за последние десятилетия. Однако главная цель пока остаётся недостижимой. Они ещё не нашли каменистую планету земной массы в обитаемой зоне солнцеподобной звезды. Отчасти это связано с космической географией. Около половины ближайших к нам солнцеподобных звёзд не одиноки. У них есть одна или несколько звёзд-компаньонов, которые усложняют орбитальную динамику. Однако новая миссия может изменить ситуацию. Речь идёт о проекте SHERA, который предложили исследователи из Лаборатории реактивного движения NASA и Калтеха [1].

Сейчас астрономы используют три основных метода поиска экзопланет. Миссии Kepler и TESS применяют транзитный метод. Они следят за небольшими падениями яркости звезды, когда планета проходит перед ней. Этот метод требует удачи, так как орбита должна быть выровнена с Землёй. Второй метод — измерения лучевой скорости. Он основан на «колебании» звезды под влиянием планеты. Однако землеподобная планета заставляет солнцеподобную звезду двигаться со скоростью всего 9 см/с. Современные инструменты имеют предел около 50 см/с из-за активности на поверхности звезды. Поэтому этот метод не подходит для поиска аналога Земли [1].

Как астрометрия может помочь найти вторую Землю

Остаётся третий вариант — астрометрия. Этот метод измеряет точное положение звёзд относительно фона других звёзд. Но здесь тоже есть проблемы с чувствительностью. Для двойника Земли на расстоянии 33 световых лет сигнал составит около 0,3 микросекунды дуги (мкас). Это невероятно маленькая величина — примерно как если бы вы измеряли толщину листа бумаги на расстоянии нескольких тысяч километров. Самый мощный астрометрический проект — миссия Gaia — имеет точность около 100 мкас. Этого недостаточно для обнаружения таких планет. SHERA предлагает иной подход. Вместо измерения положения звезды на фоне далёких объектов, миссия будет наблюдать яркие, но тесные двойные системы. Гравитационно связанные звёзды служат друг для друга точками отсчёта. Измерение расстояния между ними исключает ошибки фона и компенсирует оптические искажения. Если одна из звёзд имеет планету, она вызовет периодическое изменение относительного расстояния. Именно это SHERA и будет регистрировать [1].

Как работает уникальная оптика телескопа

Для достижения сверхвысокой точности SHERA использует специальный оптический элемент — дифракционную апертуру. Простыми словами, это крошечный узор на зеркале телескопа, который создаётся с помощью технологии, похожей на ту, что используется для производства компьютерных чипов. Этот узор помогает телескопу измерять положение звёзд с невероятной точностью и отличать движение, вызванное планетой, от других помех, например от пятен на поверхности звезды [1].

Ранее подобная технология уже предлагалась для астрометрии, и её потенциал был подтверждён научным сообществом [2]. Сложный узор на зеркале решает три задачи. Во-первых, он помогает измерять искажения, вызванные теплом и оптикой телескопа. Во-вторых, он распределяет свет звёзд по множеству пикселей, что усредняет мелкие дефекты детектора. В-третьих, он позволяет отличать сигналы от планеты от звёздной активности, отслеживая спектр звезды [1].

Какие звёзды будет изучать SHERA

Команда SHERA определила семь двойных систем в пределах 17 парсеков от Земли (парсек — это расстояние, примерно равное 3,26 световых лет). Миссия будет решать три научные задачи. Во-первых, поиск планет земной массы у ближайших целей. Во-вторых, проверка того, подавляют ли тесные двойные системы формирование планет в обитаемой зоне — области вокруг звезды, где вода может существовать в жидком виде. В-третьих, дополнение данных наземных измерений лучевой скорости [1].

Исследователи также оценили стабильность и долгосрочную обитаемость в близких двойных системах, таких как 36 Ophiuchi и 70 Ophiuchi. Эти системы оказались перспективными целями для SHERA и будущей обсерватории Habitable Worlds Observatory [3]. Астрономы из Университета Рутгерса уже обсуждали концепцию миссии на своих семинарах, подтверждая интерес научного сообщества к этому подходу [5]. По расчётам, миссия сможет открыть около четырёх малых планет в обитаемых зонах. Даже если их будет меньше, это будет важным результатом. Если SHERA найдет менее двух планет, это будет означать, что частота таких миров в двойных системах значительно ниже, чем у одиночных звёзд [1].

Помощь для будущих обсерваторий

SHERA может стать важным помощником для обсерватории Habitable Worlds Observatory (HWO) — будущего гигантского телескопа NASA, который будет искать признаки жизни на экзопланетах. Тринадцать из четырнадцати звёзд в списке SHERA являются целями высшего приоритета для HWO. Подтверждение наличия планет до запуска HWO может сократить время, необходимое для их изучения, до 40 % [1]. Это особенно важно, учитывая, что HWO планируется запустить в конце следующего десятилетия или в начале 2040-х годов [1]. По данным The Southern Gazette, идея SHERA активно обсуждается как потенциальный прорыв в поиске обитаемых миров [4].

SHERA разрабатывается как сравнительно недорогая миссия класса Small Explorer. Она основана на концепции TOLIMAN — небольшого спутника, изначально создававшегося для поиска планет у Альфы Центавра, ближайшей к нам звёздной системы. Пока это лишь концепция, и нет окончательного решения о её запуске. Однако даже если SHERA не получит финансирования, она открывает путь к поиску землеподобных планет в системах, которые долго игнорировались.

Список источников:

1. Universe Today — Looking for Earth 2.0 in Binary Systems (Автор: Andy Tomaswick)
2. American Astronomical Society — Obtaining Sub-uas Astrometry on a Wide-field, Coronagraph Equipped, Space Telescope Using a Diffractive Pupil
3. Astrobiology — Planetary Stability and Long-Term Habitability in Nearby Stellar Binaries: 70 Oph, 36 Oph, γ Leo
4. The Southern Gazette — SHERA Mission Concept Could Search Binary Star Systems for an Earth 2.0
5. Rutgers University Astrophysics Seminar — SHERA Mission Concept