Ранним утром седьмого марта 2009 года с космодрома на мысе Канаверал в штате Флорида был запущен орбитальный телескоп Kepler. Задолго до этой даты сообщения о будущем старте появлялись во множестве СМИ. Пристальное внимание прессы к телескопу вполне объяснимо: он будет искать в далеком космосе планеты, похожие на Землю.
Все сразу
Для обнаружения экзопланет (планет, находящихся вне Солнечной системы), Kepler будет использовать так называемый транзитный метод. Когда планета проходит по диску своей звезды, она закрывает часть ее излучения. Новый телескоп как раз и будет отыскивать такие "подмигивающие" светила. Анализируя параметры "подмигивания", астрономы смогут узнать некоторые характеристики найденных экзопланет.
По частоте колебаний яркости можно определить период обращения планеты и высоту ее орбиты. Эти сведения, а также данные о температуре звезды позволят ученым вычислить, насколько горяча экзопланета. Кроме того, зная длину орбиты, астрономы по третьему закону Кеплера, в честь которого был назван телескоп, могут узнать массу планеты. Количество звездного излучения, которое она закрывает, даст исследователям информацию о ее размерах.
Ученых интересуют прежде всего небольшие планеты, обращающиеся в зоне обитаемости своих звезд. Зона обитаемости – это узкий отрезок пространства вокруг звезды, попав в который планета может быть теоретически пригодной для выживания организмов земного типа. В случае звезд, похожих на Солнце (а именно их в первую очередь будут рассматривать ученые), зона обитаемости будет находиться на расстоянии около одной астрономической единицы от светила. То есть, дистанция от экзопланеты до звезды будет приблизительно соответствовать дистанции от Земли до Солнца.
Сплошные проблемы
Создается впечатление, что транзитный метод идеально приспособлен для поиска новых миров, и непонятно, почему с его помощью было найдено всего около 15 процентов экзопланет (к настоящему моменту астрономам известно около 350 планет, обращающихся вокруг далеких звезд). На словах метод кажется очень простым, однако он имеет ряд ограничений, а для его эффективного применения нужна очень чувствительная техника.
Даже крупные планеты (на рисунке точка в правой части светила) вызывают незначительные изменения яркости звезды. Изображение с сайта nasa.gov
Lenta.ru
Поиск экзопланет (особенно небольших) при помощи транзитного метода является нетривиальной задачей уже потому, что изменение яркости свечения звезды при проходе мимо нее планеты минимально. Земля закрывала бы от наблюдателя из далекого космоса всего 0,008 процента света Солнца. Такие незначительные возмущения могут возникать по множеству причин. Например, их может вызывать появление пятен на изучаемой звезде.
"Правильные" колебания, то есть колебания, вызванные прохождением по диску звезды планеты, должны быть периодическими. Поэтому прежде чем приписывать "подмигиванию" экзопланетную природу, астрономам необходимо засечь изменение яркости со сходными характеристиками несколько раз. Для планет земного типа и для похожих на Солнце звезд период обращения составляет около года. То есть, следить за "подмигивающими" звездами придется несколько лет. При этом вероятность пропустить сам момент транзита планеты весьма высока: продолжительность этого события составляет несколько часов.
В дополнение ко всем этим трудностям транзитный метод подходит только для очень ограниченной выборки звезд. Для того чтобы телескоп смог заметить изменение яркости звезды, орбита обращающейся вокруг нее планеты должна быть ориентирована строго определенным образом. Согласно подсчетам, это требование выполняется в среднем для одной звезды из сотни.
Все сразу и без проблем
Разработчики миссии Kepler попытались учесть все эти сложности. Чувствительность его телескопа достаточна для регистрации минимальных изменений яркости. По словам инженеров, Kepler может увидеть пролет мухи мимо фар автомобиля, находящегося на расстоянии нескольких километров. Чтобы не пропустить транзит планеты, Kepler будет наблюдать звездное небо практически непрерывно. Телескоп будет снимать показания каждые полчаса. Так как он находится за пределами земной атмосферы, погодные условия и смены дня и ночи не будут мешать проведению измерений.
Орбита Kepler выбрана таким образом, чтобы в его поле зрения периодически не вторгались Луна и Солнце. Говоря научным языком, поле зрения нового телескопа лежит вне плоскости эклиптики.
В этом участке Млечного Пути телескоп Kepler будет искать экзопланеты земного типа. Изображение Jon Lomberg с сайта nasa.gov. Кликните на картинке, чтобы увеличить изображение.
Lenta.ru
В своем движении вокруг Солнца Kepler будет следовать за Землей, постепенно удаляясь от нее. Телескоп будет совершать один оборот приблизительно за 372,5 дня. Дополнительным преимуществом такого положения является отсутствие вращающего момента, вызванного гравитационным воздействием Земли (так как форма нашей планеты неидеальна, спутники немного по-разному притягиваются к Земле над различными ее участками). Еще один плюс "независимой" от Земли орбиты – стабильный уровень солнечного излучения. Постоянные изменения из-за тени Земли количества попадающих на аппарат солнечных лучей могли бы привести к помехам в работе приборов.
По сравнению с другими телескопами у Kepler очень широкое поле зрения. Он будет обозревать участок неба, приблизительно соответствующий площади ладони вытянутой руки – его размер составит 105 квадратных градусов. Другие орбитальные телескопы, в том числе знаменитый "Хаббл", лишены такой широты обзора. Они предназначены для изучения как можно более далеких областей космоса, а размер исследуемого участка для них не так уж важен.
Район космоса, в который Kepler будет вглядываться 3,5 года, тоже был выбран не случайно. Телескоп аппарата будет направлен на участок неба, расположенный между созвездиями Лебедя и Лиры. По оценкам астрономов, в этой части неба находится около 4,5 миллиона звезд. Большая часть из них похожи на наше Солнце – это относительно холодные звезды среднего возраста. Зоны обитаемости располагаются на небольшом расстоянии от них, так что Kepler сможет увидеть транзит "подходящих" планет. Потенциально обитаемые планеты молодых звезд-гигантов находятся на таком удалении, что даже очень чувствительные детекторы Kepler не заметят изменения яркости звезды при их проходе по ее диску.
По словам Натали Баталья (Natalie Batalha) из Университета Сан Хосе, которая принимает участие в работе над телескопом, чтобы преодолеть все трудности, возникающие при поиске экзопланет транзитным методом, разработчики миссии воспользовались "грубой научной силой". "Все дело в числах", - добавила она.
Если размер большей части планет во Вселенной приблизительно соответствует размеру Земли, ученые рассчитывают обнаружить около 50 планет земного типа. Если планеты в основном крупнее Земли (радиус примерно в 1,3 раза больше), астрономы надеются увидеть около 185 планет. В том случае, если радиус типичной планеты в 2,2 раза больше радиуса Земли, на звездных картах появятся 640 новых планет земного типа. Все расчеты составлены с условием, что вокруг звезды обращается только одна похожая на Землю планета.
Широкое поле обзора, непрерывные наблюдения и огромное количество звезд-кандидатов позволяют обойти такой фактор, как малый процент подходящих светил. Совершенные детекторы Kepler должны зафиксировать самое незначительное "подмигивание", а трехгодичная продолжительность миссии позволит астрономам подтвердить, что его виновницей является именно планета.
Kepler получит первые результаты уже через несколько месяцев. Список новых экзопланет сначала пополнят "горячие Юпитеры", обращающиеся на небольшом расстоянии вокруг своих звезд. Год на таких планетах может длиться всего несколько дней, а значит, ученые смогут быстро удостовериться в том, что звезда периодически меркнет именно из-за них. На достоверное обнаружение планет земного типа потребуется несколько лет.
В зависимости от того, насколько типичны землеподобные планеты (то есть планеты, радиус которых колеблется от половины до двух радиусов Земли) для нашей Вселенной, ученые рассчитывают отыскать их от 50 до нескольких сотен.
О скорости прогресса
Астрономы обнаружили первую планету за пределами Солнечной системы совсем недавно – в 1995 году. Сейчас таких планет известно больше трехсот, а еще через три года мы узнаем, как часто среди экзопланет встречаются планеты земного типа. Наконец-то у ученых и просто любителей порассуждать о том, "есть ли жизнь на Марсе", появятся фактические данные, которые можно использовать при составлении прогнозов. И хотя окончательного ответа на вопрос о нашем одиночестве во Вселенной Kepler не даст, он сможет заметно усилить вес доводов за или против.