;
Кейсы 27 января 2021

Преемник «Хаббла» изучит горячие юпитеры, коричневые карлики и экзопланеты. Чем они интересны?

Далее

Телескоп от NASA Roman примерно в 2025 году отправится на поиски горячих юпитеров, коричневых карликов и экзопланет у ядра ​​галактики. Его называют преемником «Хаббла». Рассказываем, чем займется новый телескоп и на какие вопросы ученые хотят получить ответы.

Подробнее о телескопе Roman и миссии

NASA официально назвало следующего приемника «Хаббла». Ранее известный как широкоугольный инфракрасный обзорный телескоп (WFIRST), этот проект теперь получил новое название — Nancy Grace Roman Space Telescope — или просто Roman Space Telescope — по имени первого главного астронома NASA, которого часто называют «матерью Хаббла».

Roman Space Telescope должен быть запущен в середине 2020-х годов в качестве преемника стареющего «Хаббла». Несмотря на то, что они оснащены зеркалом одинакового размера — шириной 2,4 м, новый телескоп использует широкоугольный инструмент для исследования участка неба, который в 100 раз больше, чем тот, что способен охватить Хаббл.

При наблюдении за Вселенной в инфракрасном диапазоне у Roman Space Telescope будет несколько основных целей. Первая заключается в поиске и изучении экзопланет с использованием спектроскопии и экспериментального инструмента для коронографии, для получения высококонтрастных изображений этих миров.

Он также исследует темную энергию, таинственную силу, которая, кажется, вызывает ускорение расширения Вселенной. Roman Space Telescope также может помочь изучить темную материю и ряд других астрофизических вопросов.

Что будет изучать телескоп?

Японские и американские ученые подсчитали, что космический телескоп НАСА Nancy Grace Roman найдет около 10 горячих юпитеров и 30 коричневых карликов ближе к центру галактики, используя эффект гравитационного линзирования. 

В первую очередь телескоп будет использовать метод гравитационного микролинзирования. Суть метода состоит в следующем: когда массивный объект, такой как звезда, проходит перед более далекой звездой (по отношению к телескопу), свет от более далекой звезды будет преломляться.

В результате более близкий объект действует как естественная линза, увеличивая свет от звезды заднего плана. Планеты, вращающиеся вокруг звезды-линзы, могут производить аналогичный эффект в меньшем масштабе, поэтому астрономы стремятся обнаружить их, анализируя свет от более далекой звезды.

Поскольку метод помогает обнаружить даже небольшие планеты с широким диапазоном орбит, ученые ожидают, что обзор нового телескопа откроет аналоги почти каждой планеты в нашей Солнечной системе. А также более экзотические миры – планеты-гиганты на крошечных орбитах, известные как горячие юпитеры, и так называемые «несостоявшиеся звезды» — коричневые карлики.

Коричневые карлики

Коричневые карлики — субзвездные объекты (с массами в диапазоне от 0,012 до 0,0767 массы Солнца, или, соответственно, от 12,57 до 80,35 массы Юпитера).

Как и в звездах, в них идут термоядерные реакции ядерного синтеза на ядрах легких элементов (дейтерия, лития, бериллия, бора), но, в отличие от звезд главной последовательности, вклад в тепловыделение таких звезд ядерной реакции слияния ядер водорода (протонов) незначителен.

В коричневых карликах, в отличие от звезд главной последовательности, также отсутствуют шаровые слои лучистого переноса энергии — теплоперенос в них осуществляется только за счет турбулентной конвекции, что обуславливает однородность их химического состава по глубине.

Коричневый карлик (меньший объект), вращающийся вокруг звезды Gliese 229, которая расположена в созвездии Зайца примерно в 19 световых годах от Земли. Коричневый карлик Gliese 229B имеет массу от 20 до 75 масс юпитера

Один из механизмов происхождения коричневых карликов схож с планетарным. Коричневый карлик формируется в протопланетном диске на его окраине. На следующем этапе их жизни они под воздействием окружающих звезд выбрасываются в окружающее пространство их родительской звезды и образуют большую популяцию самостоятельных объектов.

Как и обычные звезды, коричневые карлики могут образовываться независимо от других объектов. Они могут формироваться по отдельности или в непосредственной близости от других звезд. В 2015 году была изучена группа коричневых карликов, находящихся в процессе формирования, и некоторые из них демонстрировали такие же джеты, что и более массивные звезды, находящиеся в процессе формирования.

В отличие от звезд главной последовательности, минимальная температура поверхности которых составляет порядка 4 000 К, температура коричневых карликов лежит в промежутке от 300 до 3 000 К. В отличие от звезд, которые сами себя разогревают за счет идущего внутри них термоядерного синтеза, коричневые карлики на протяжении своей жизни постоянно остывают, при этом чем крупнее карлик, тем медленнее он остывает.

Свойства коричневых карликов, переходных между планетами и звездами по массам, вызывают особый интерес астрономов. Год спустя после открытия первого объекта этого класса в атмосферах коричневых карликов были обнаружены погодные явления. Выяснилось, что коричневые карлики также могут иметь собственные спутники.

Горячие юпитеры

Горячие юпитеры — класс экзопланет с массой порядка массы юпитера (1,9⋅1027 кг). В отличие от юпитера, который находится на расстоянии 5 а.е. от Солнца, типичный горячий юпитер находится на расстоянии порядка 0,05 а.е. от звезды, то есть на один порядок ближе, чем Меркурий от Солнца и на два порядка ближе, чем Юпитер.

Горячие юпитеры в свое время занимали существенную долю списка открытых экзопланет, так как их проще всего обнаружить, поскольку они вносят заметные короткопериодические возмущения в движение звезды, которые могут быть обнаружены по смещению линий спектра.

Кроме того, довольно велика вероятность прохождения планеты перед диском звезды, что позволяет оценить размер планеты по уменьшению светимости звезды. 

Художественное изображение горячей экстрасолнечной планеты XO-1 b

Характеристики

  • Нагревание поверхности до температуры 1 000–1 500 К (а иногда и почти до 3 000 К), обусловленное близким расположением к звезде, вызывает дополнительное тепловое расширение, так что радиусы подобных планет больше, чем у аналогичных, но расположенных на бо́льшем расстоянии от родительской звезды.
  • Эксцентриситет орбиты обычно близок к нулю, поскольку уменьшается из-за действия приливных сил.

Считается, что возле самой звезды недостаточно материала для образования планет. Все планеты этого типа образовались во внешней части системы, а потом мигрировали к центру из-за торможения в газопылевом диске.

Существует также подкласс горячих юпитеров, именуемый короткопериодическими горячими юпитерами. Они представляют собой «горячие-горячие» юпитеры, то есть наиболее близкие к звездам горячие юпитеры.

Период вращения таких планет вокруг звезды составляет 1–2 дня, а температура может часто достигать 2 000 °C (при этом температура поверхности самой звезды часто лишь в 2–3 раза больше температуры поверхности планеты). Наиболее горячим короткопериодическим горячим юпитером (а также самой горячей известной экзопланетой) является планета WASP-33 b.

При очень малом расстоянии до звезды и не очень большой массе планеты (меньше 2 масс юпитера) планета не удерживается своей гравитацией от разогрева, что приводит к ее сильному термическому расширению и падению плотности до экстремально низких значений. Такая планета скорее представляет собой газовое облако, нежели полноценную планету и называется рыхлой планетой.

Экзопланеты

Экзопланета — планета, находящаяся вне Солнечной системы. Долгое время задача обнаружения планет возле других звезд оставалась неразрешенной, так как планеты чрезвычайно малы и тусклы по сравнению со звездами, а сами звезды находятся далеко от Солнца (ближайшая — на расстоянии 4,24 световых года). Первые экзопланеты были обнаружены в конце 1980-х годов. 

Сейчас такие планеты стали открывать благодаря усовершенствованным научным методам, зачастую на пределе их возможностей. По состоянию на 6 января 2021 года достоверно подтверждено существование 4 396 экзопланет в 3 242 планетных системах, из которых в 720 имеется более одной планеты.

Количество надежных кандидатов в экзопланеты значительно больше. Так, по проекту «Кеплер» на январь 2020 года числилось еще 2 420 кандидатов, а по проекту TESS на январь 2020 года — 1 082 кандидата, однако для получения ими статуса подтвержденных планет требуется их повторная регистрация с помощью наземных телескопов.

Общее количество экзопланет в галактике Млечный Путь оценивается не менее чем в 100 млрд, из которых от 5 до 20 млрд, возможно, являются «землеподобными». Также, согласно текущим оценкам, около 34% солнцеподобных звезд имеют в обитаемой зоне планеты, сравнимые с Землей.

Общее количество планет вне Солнечной системы, напоминающих Землю и обнаруженных по состоянию на август 2016 года, составляет 216. В конце октября 2020 года ученые подсчитали общее число возможно обитаемых экзопланет в галактике Млечный путь, их число составляет около 300 млн.

Подавляющее большинство открытых экзопланет обнаружено с использованием различных непрямых методик детектирования, а не визуального наблюдения. Большинство известных экзопланет — газовые гиганты и более походят на юпитер, чем на Землю. Это объясняется ограниченностью методов обнаружения (легче обнаружить короткопериодичные массивные планеты).

Анимация хронологии открытия экзопланет. Цвет точки означает метод открытия. Горизонтальная ось — размер большой полуоси. Вертикальная ось — масса. Для сравнения белым цветом обозначены планеты солнечной системы

Согласно прогнозам ученых, только в галактике Млечный Путь (где и находится наша планета Земля) их число, по последним данным, около 300 млн. Под обитаемыми планетами подразумевается наличие на них микробов, растений и животных, но не обязательно цивилизаций или иной разумной жизни.

Вычисления ученых показали, что если в ближайшие десятилетия будет открыта хотя бы одна планета с возможными следами жизни, это будет означать, что в нашей галактике есть и другие подобные миры с вероятностью 95–97%.

Открытие экзопланет позволило астрономам сделать вывод: планетные системы — явление в космосе распространенное. До сих пор нет общепризнанной теории образования планет, но теперь, когда появилась возможность подвести статистику, ситуация в этой области меняется к лучшему.

Большинство обнаруженных систем сильно отличается от солнечной — скорее всего, это объясняется селективностью применяемых методов (легче всего обнаружить короткопериодичные массивные планеты). В большинстве случаев планеты, подобные Земле, и меньшие по размерам, на данный момент (август 2012 года), обнаружить возможно только транзитным методом.

Какие цели новой программы телескопа Roman?

Поскольку метод помогает обнаружить даже небольшие планеты с широким диапазоном орбит, ученые ожидают, что обзор нового телескопа откроет аналоги почти каждой планеты в нашей Солнечной системе. А также более экзотические миры — планеты-гиганты на крошечных орбитах, известные как горячие юпитеры, и так называемые «несостоявшиеся звезды» — коричневые карлики.

Предыдущие миссии по «охоте» за планетами в первую очередь искали новые миры относительно близко от нас, на расстоянии до нескольких тысяч световых лет. Непосредственная близость делает возможным более детальное изучение. Однако астрономы считают, что изучение тел, близких к ядру нашей галактики, может дать новое понимание того, как эволюционируют планетные системы.

В отличие от звезд в диске галактики, которые находятся друг от друга на комфортных расстояниях, звезды около ядра расположены гораздо плотнее. Roman мог бы выяснить, влияет ли такое близкое расположение звезд на орбиты планет. Если звезда проходит близко к планетной системе, ее гравитация может вывести планеты с их обычных орбит.

Сверхновые также чаще встречаются вблизи центра галактики. Эти катастрофические события настолько интенсивны, что могут создавать новые элементы, которые выбрасываются в окружающую среду, когда взрывающиеся звезды умирают. Астрономы считают, что это может повлиять на формирование планет.

Обнаружение миров в этом регионе может помочь нам больше узнать о факторах, влияющих на процесс формирования планет.

Когда телескоп начнет работу?

Roman Space Telescope уже получил зеленый свет для разработки и испытаний. Однако, скорее всего, это начнется только после 2021 года, потому что NASA планирует сосредоточить свое внимание и бюджет на том, чтобы сначала закончить космический телескоп Джеймса Уэбба, старт которого запланирован на 2021 год.

Читать далее

Аборты и наука: что будет с детьми, которых родят

Радары обнаружили последний форт тлинкитов на Аляске. Его искали более 100 лет

Треть переболевших COVID-19 возвращаются в больницу. Каждый восьмой — умирает

Загрузка...