Микроспутник POET сможет найти двойников Земли у самых тусклых звезд

Канадские ученые под руководством Станимира Метчева из Университета Западного Онтарио совместно с коллегами из Испании и при поддержке Канадского космического агентства разработали проект новой космической миссии POET. Исследователи провели моделирование, которое показало, что микроспутник сможет открывать землеподобные планеты у самых холодных и тусклых звезд в окрестностях Солнца. Работа опубликована в сборнике трудов конференции SPIE (Международного общества по оптике и фотонике) и доступна в архиве научных препринтов arXiv.

Представьте себе телескоп размером с небольшой чемодан, который, находясь на орбите, способен охотиться за мирами, похожими на наш собственный. Именно такой аппарат под названием POET предлагают построить канадские астрофизики. Это небольшой спутник, который будет весить всего около 50–70 килограммов, с зеркалом диаметром 20 сантиметров — совсем крошечный по меркам гигантов вроде Джеймса Уэбба, но обладающий уникальной особенностью.

POET будет одновременно наблюдать звезды в трех диапазонах: ближний ультрафиолет (300–400 нанометров), видимый ближний инфракрасный диапазон (400–900 нанометров) и, что самое важное, коротковолновый инфракрасный диапазон (900–1700 нанометров). Такое «тепловое зрение» позволит увидеть то, что недоступно большинству телескопов.

Зачем нужны три диапазона? Дело в том, что POET будет нацелен на охоту за планетами у ультрахолодных карликов. Эти звезды — одни из самых маленьких и тусклых во Вселенной. Их эффективная температура составляет менее 2700 кельвинов (для сравнения: у нашего Солнца около 5800 кельвинов). Некоторые из них едва теплее горящей свечи. Размер такой звезды всего около 0,1 радиуса Солнца, то есть примерно в 10 раз больше Земли. Искать планеты у таких звезд очень выгодно: если планета размером с Землю (радиус около 6400 километров) пройдет на фоне такого небольшого солнца, она затмит его примерно на 1 процент. Этот сигнал вполне реально зарегистрировать при достаточной точности измерений.

Главная проблема в том, что эти звезды излучают в основном в инфракрасном диапазоне, а большинство современных охотников за планетами, например знаменитый телескоп TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite), лучше видят в оптике. Поэтому многие холодные звезды остаются за пределами их возможностей. POET же, благодаря своему инфракрасному каналу, сможет их разглядеть и вести систематический поиск.

Самые интересные цифры начинаются, когда ученые выбирают цели для наблюдения. Ведь планета может пройти на фоне звезды только при очень точном попадании в нужный ракурс — в среднем такая вероятность составляет менее 3 процентов для случайной звезды. Авторы работы придумали хитрый метод: они ищут звезды, которые повернуты к нам своим экватором. Как показывают наблюдения, в большинстве систем планеты вращаются прямо над экватором своих звезд. Значит, если мы видим звезду с ребра (наклон оси вращения более 70 градусов), шанс увидеть транзит максимален.

Чтобы отобрать такие звезды, команда проанализировала каталог Gaia Data Release 3, отсеяла двойные звезды и звезды-гиганты. Исходная выборка включала 7256 кандидатов. После исключения звезд, которые ярче главной последовательности на 0,38 звездной величины (что указывает на двойную природу или слишком большой радиус), осталось 3245 одиночных звезд. Так родился POET Input Catalog of Ultracool Dwarfs. Из этого каталога для непосредственных наблюдений отберут от 100 до 300 лучших целей.

Чтобы понять, сколько планет сможет найти POET, исследователи провели компьютерное моделирование с использованием реальных параметров. Они загрузили в виртуальную машину характеристики будущих детекторов. Для видимого канала (VNIR) приняты: шум считывания 8 электронов на пиксель, темновой ток 0,4 электрона в секунду на пиксель. Для инфракрасного канала (SWIR) шумы значительно выше: шум считывания 43 электрона на пиксель, темновой ток 113 электронов в секунду на пиксель.

Однако, несмотря на это, для холодных карликов с температурой 1500 кельвинов (спектральный тип L6) отношение сигнал/шум в SWIR оказывается в 3–8 раз выше, чем в VNIR. Для более теплых карликов 2500 кельвинов (тип M8) преимущество SWIR сохраняется только для ярких звезд с величиной G менее 16. При моделировании транзитов для планет размером от 0,6 до 6,6 радиуса Земли и звезд с величиной G от 16 до 19 вероятность обнаружения в SWIR оказалась примерно в два раза выше, чем в VNIR. Средний радиус обнаруживаемой планеты получился около 1,13 радиуса Земли, а средняя величина звезды — G = 17,17.

Затем ученые просчитали общую результативность миссии, исходя из 220 чистых дней наблюдений. Это соответствует одному году работы с 80-процентной эффективностью и вычетом 25 процентов времени на общие научные программы (если убрать эти программы и поднять эффективность до 90 процентов, число открытий вырастет на 50 процентов). Моделирование показало, что оптимальная длительность непрерывного наблюдения одной звезды составляет от 0,75 до 2 суток. При такой стратегии можно наблюдать от 110 до 293 звезд за год.

Даже при самых консервативных предположениях (планеты в основном имеют радиус около 1,1 земного и встречаются не слишком часто) POET обнаружит 2 новые скалистые планеты на коротких орбитах с периодом менее 7 дней. При более реалистичных предположениях, учитывающих широкое распределение размеров планет и тот факт, что у холодных звезд часто встречаются целые системы из нескольких планет, ожидаемое число открытий вырастает как минимум до 6. Некоторые оценки говорят о возможных 10 и более новых мирах.

Почему это так важно? Обнаруженные планеты будут вращаться очень близко к своим тусклым звездам, а значит, период обращения составит менее недели. Для таких холодных звезд это означает, что планета находится в обитаемой зоне, где температура позволяет существовать жидкой воде. Более того, из-за небольшого размера звезды планета будет хорошо заметна на ее фоне, что позволит изучить атмосферу этих миров с помощью телескопа Джемйс Уэбб. Некоторые из новых планет могут стать первыми реальными кандидатами на наличие биомаркеров — газов, которые могут производить живые организмы.

Авторы работы доказали, что компактная и недорогая миссия POET способна эффективно дополнять большие обсерватории в поисках скалистых экзопланет. Даже при самых осторожных прогнозах новый телескоп откроет как минимум две землеподобные планеты у ближайших ультрахолодных звезд, а в более оптимистичном сценарии — до шести и более. Средний размер таких планет составит около 1,13 радиуса Земли. Благодаря использованию инфракрасного канала результативность поиска оказывается в два раза выше, чем при наблюдениях в видимом свете. Эти миры станут идеальными целями для будущих наблюдений в поисках признаков жизни. Таким образом, POET может найти реальные «двойники» Земли, которые будут достаточно близки и удобны для подробного изучения их атмосфер.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях