Как открыли первую российскую экзопланету

Сегодня астрономам известно уже более трех тысяч планет у других звезд, причем первая из них была открыта всего 30 лет назад. Поиски экзопланет — одна из самых популярных и быстроразвивающихся областей астрономии, и это понятно — ведь у нас появился шанс обнаружить планеты, похожие на нашу Землю, и, может быть, следы внеземной жизни. Кроме того, мы узнали, что другие планетные системы могут быть совсем не похожи на нашу. В них, например, могут быть газовые гиганты, расположенные очень близко к своей звезде, — «горячие юпитеры». Российские астрономы во вторник, 17 апреля, объявили об открытии такого «горячего юпитера», который обращается вокруг звезды в созвездии Большой Медведицы на расстоянии около 900 световых лет от Земли. Редакция N + 1 попросила одного из авторов этого открытия, научного сотрудника Пулковской обсерватории Евгения Сокова, рассказать о том, как оно было сделано и почему это важно для российских ученых.

Экзопланета, которую мы открыли, получила обозначение KPS-1b (KPS — это аббревиатура названия проекта Kourovka Planet Search, который возник в Коуровской обсерватории под Екатеринбургом). Первым экзопланету заметил наш коллега, астроном-любитель из США Пол Бенни (Paul Benni). Он живет в городке Актон штата Массачусетс, его профессия — разработка медицинской техники, но у него есть собственная частная обсерватория — Acton Sky Portal Private Observatory.

Бенни с огромным азартом занимается астрономией, причем не просто снимает красивые картинки, как это делает 90 процентов любителей астрономии, а увлечен серьезной наукой. Поиски экзопланет он ведет довольно давно, для этого ему пришлось адаптировать свой телескоп марки Celestron с диаметром зеркала 279 миллиметров для обзорных наблюдений. С помощью этого телескопа он в течение трех месяцев вел точные измерения яркости звезд от 11 до 14 звездной величины на двух «площадках» на небе общей площадью 4 на 2,5 градуса. Главная задача в этом случае — получить кривые блеска, чтобы обнаружить повторяющиеся периодические снижения яркости звезд, то есть обнаружить признаки прохождения планеты перед диском звезды.

Полученные данные он анализировал с помощью программного пакета K-Pipe, который был разработан у нас, в Коуровской обсерватории, под руководством Артема Бурданова и Вадима Крушинского. Этот пакет позволяет обнаруживать периодические колебания в блеске звезды. Метод, который мы использовали, — BLS (box-fitting least squares). Сегодня это фактически стандарт для наземных проектов по поиску транзитов. Для обработки данных с «Кеплера» используется другая методика, основанная на вейвлет-анализе, адаптированном под поиск транзитоподобных сигналов на основе шаблонов. Эта методика позволяет отсечь колебания яркости звезды, связанные с пятнами или астросейсмической активностью.

На одной из двух площадок Бенни обнаружил звезду, кривые блеска которой заставляли думать о возможном присутствии экзопланеты. Получив эту информацию, мы начали ее проверять, в дело включилась наблюдательную сеть EXPANSION (EXoPlanetary trANsit Search with an Internation Observational Network), в которую входят как частные телескопы, так и крупные профессиональные обсерватории почти на всех континентах. Собирать эту сеть я начал еще в 2012 году, сегодня в нее входят Коуровская обсерватория и Обсерватория в Тунке, многие любительские телескопы, хозяева которых хотят участвовать в поиске экзопланет. Инструменты в этой сети разные — от 28-сантиметровых телескопов, как у Пола Бенни, до 2,5-метрового телескопа обсерватории в Аргентине (CASLEO).

Мы довольно быстро смогли уточнить период обращения этого кандидата, уточнить ряд других параметров, которые можно получить из фотометрических наблюдений, а уже в завершении на полуметровом телескопе Пулковской обсерватории МТМ-500М, который находится на территории Горной астрономической станции под Кисловодском, мы проверили, не является ли этот объект системой из двух взаимозатменных звезд.

Кроме того, на самом большом в России телескопе — шестиметровом рефлекторе БТА (Специальная астрофизическая обсерватория РАН) — были проведены наблюдения, которые позволили убедиться, что эта звезда одиночная, что у нее нет компаньонов, схожих по размеру и массе с ней самой. Для этого на БТА использовался метод спекл-интерферометрии. Дело в том, что наблюдая с Земли, мы получаем изображение, искаженное неоднородностями атмосферы. Но справиться с ними можно, если получить около двух-трех тысяч изображений звезды на ультракороткой выдержке. Дальше с помощью математической обработки мы получаем изображение с высоким разрешением, что позволяет нам обнаружить (или не обнаружить) близкие компоненты, которые даже в большой телескоп не увидели бы.

До этого мы исследовали другую звезду, чьи колебания яркости были похожи на те, что может давать экзопланета. Но с помощью спекл-интерферометрии мы выяснили, что это не одиночная звезда, а тройная, и колебания ее яркости связаны именно со звездными компонентами системы, а не с планетой. Но у KPS-1 ничего подобного обнаружено не было, это одиночная звезда, и значит, высоки шансы, что у нее есть планета.

Но чтобы окончательно убедиться в этом, нам надо было подтвердить открытие другим методом, а именно методом лучевых скоростей. Суть его состоит в том, чтобы обнаружить колебания скорости звезды, связанные с гравитационным воздействием планеты. Например, тяготение Юпитера заставляет Солнце смещаться со скоростью около 13 метров в секунду. Такие смещения можно обнаружить благодаря эффекту Доплера, но для этого требуется спектрограф с очень высоким разрешением.

Поскольку в России на Специальной астрофизической обсерватории ввод в строй такого спектрографа пока только планируется, мы обратились за помощью к иностранным коллегам. Мы смогли договориться с наблюдательной группой 1,93-метрового телескопа в Обсерватории Верхнего Прованса о наблюдениях нашего кандидата на спектрографе SOPHIE. За полгода мы получили необходимое количество измерений лучевых скоростей для звезды и смогли определить характеристики объекта, транзиты которого мы обнаружили при фотометрических наблюдениях.

Анализ данных показал, что это действительно экзопланета, а именно «горячий юпитер» с массой 1,09 массы Юпитера и 1,03 радиуса Юпитера. Это практически «наш» Юпитер, только он находится на очень тесной орбите вокруг своей родительской звезды — он делает полный оборот по орбите всего лишь за 1,7 суток. Температура на поверхности планеты может составлять около 1,4 тысячи кельвинов. Сама звезда чуть меньше и тусклее Солнца — ее масса составляет около 0,89 солнечной, а радиус — около 0,9 солнечного.

Таким образом, мы открыли нашу первую экзопланету KPS-1b. Это обычный «горячий юпитер», которых на сегодня известно уже около 300, но в каком-то смысле его можно считать первой российской экзопланетой.

У нас в Пулковской обсерватории еще в 1977 году на основе высокоточных астрометрических наблюдений предположили, что в звездной системе 61 Лебедя есть две экзопланеты с 6 и 12 массами Юпитера, но пока это не подтвердилось. При этом регулярные фотометрические наблюдения начались несколько лет назад в Пулковской и Коуровской обсерваториях. Именно эти обсерватории начали активно заниматься фотометрическими наблюдениями транзитов экзопланет и поиском транзитных сигналов у звезд.

Наши ученые занимались подтверждением открытий «Кеплера»; например, у нас есть подтверждения трех кандидатов на шестиметровом телескопе БТА, есть открытая экзопланета на турецко-российском телескопе в Тюбитаке. Что же касается «нашей» экзопланеты, то, как мне кажется, хотя она и имеет интернациональное происхождение, но на 90 процентов работы по анализу, расчетам параметров и изучению всего наблюдательного материала выполнены российскими астрономами. Так что для меня она первая российская.