Европейский космический телескоп «Хеопс» (CHEOPS) вскоре отправится в космос на российской ракете «Союз» (запуск планировался на сегодня, но был отменен, смотрите подробности ниже). Главная задача нового инструмента — исследование уже открытых экзопланет. Как именно он будет исследовать внесолнечные планеты, что астрономы узнают об устройстве и эволюции других планетных систем, а так же о том, почему ни NASA, ни ESA пока не отправляют на орбиту новый действительно мощный телескоп, сопоставимый с «Кеплером», объясняет для N+1 астроном Сергей Попов, ведущий научный сотрудник Государственного астрономического института имени Штернберга МГУ.
Изучение любого объекта — многокомпонентная задача. Вы можете прийти к врачу, и вам сделают самое-самое лучшее МРТ. Однако это не значит, что вам не нужна другая диагностика. Даже средненький ультразвук может дать ответ на вопрос, на который не дает ответа МРТ. Или стандартный анализ мочи также может помочь поставить диагноз, а самый продвинутый аппарат МРТ окажется бесполезен. То же самое и с изучением экзопланет.
«Кеплер» — это, действительно, крупный телескоп с диаметром зеркала около метра. Его программа наблюдений включала в себя 200 тысяч звезд, локализованных на достаточно небольшой площадке, которую непрерывно мониторили более четырех лет подряд. Почему это важно? Во-первых, благодаря большому зеркалу вы можете видеть слабые звезды. Во-вторых, длительный мониторинг одной и той же выборки позволяет вам находить планеты с большими орбитальными периодами. Если вы наблюдаете четыре года, вы можете открыть планеты с периодом больше года.
«Кеплер» отработал, было идентифицировано более тысячи планет, и еще около 20 тысяч кандидатов, которые будут потом проверять. Но, в любом случае, важно понимать, что открыть — это не то же самое, что изучить.
Например, вы можете открыть, что в соседней комнате сидит человек. Но вы не знаете, кто это — ваш лучший друг, случайный прохожий, маньяк-убийца или человек, которому нужна помощь. Для этого вам нужно исследовать более детально. В частности, посмотрев в замочную скважину, вы можете убедиться, что это не ваш лучший друг, что это не человек, которому нужна помощь. Однако и это не поможет понять, нормальный ли там человек или маньяк-убийца. Вам нужны еще более серьезные наблюдения — для этого и нужны разные способы.
Если говорить об экзопланетах, то спутник TESS обладает четырьмя небольшими телескопами с диаметром объективов по 10 сантиметров, то есть он может искать планеты только у ярких звезд. Однако его программа принципиально отличается от «Кеплера» — он сканирует все небо. В этом смысле количество объектов, которые откроет TESS, будет не меньше, чем у «Кеплера», просто это будут объекты у более ярких звезд, разбросанных по всему небу и, по крайней мере, на первой гарантированной фазе это будут объекты с более короткими орбитальными периодами. У меня нет больших сомнений, что подобно «Кеплеру», который прослужил больше четырех лет при гарантийном сроке в два года, TESS почти наверняка проработает больше изначальной программы, рассчитанной на годовой обзор одной половины неба и годовой обзор другой.
Но основная миссия TESS — это не просто открыть еще больше планет. Задача TESS — это обнаружить объекты, которые могут стать хорошими целями для изучения атмосферы с помощью «Джеймса Уэбба» и крупных наземных телескопов следующего поколения. То есть TESS ищет потенциальных «жертв» для нового поколения телескопов. Естественно, по дороге он откроет еще несколько тысяч новых планет.
Само название CHEOPS — это аббревиатура CHaracterising ExOPlanets Satellite, из которой видно, что это инструмент для «характеризации», для более глубокого изучения ранее уже открытых планет. В его задачи вообще не входит поиск новых тел. У него на борту будет стоять небольшой телескоп с зеркалом примерно 33 сантиметра в диаметре, но его отставание от «Кеплера» в этом смысле не слишком велико, потому что есть прогресс и в электронике, и в методах обработки данных.
Характеристики телескопа CHEOPS
Размер аппарата — 1,5 метра, масса — 280 килограмм, главный инструмент — телескоп системы Ричи — Кретьена с диаметром объектива в 33 сантиметра, поле зрения — 19×19 угловых минут.
Основные цели — звезды ярче 12-й величины с извеcтными экзопланетами. Будет выведен ракетой-носителем «Союз» с космодрома «Куру» на солнечно-синхронную орбиту высотой 800 километров. Ожидаемый срок службы — 3,5 года.
Это европейский спутник, а европейцы — лидеры в открытии и изучении экзопланет методом измерения вариаций лучевых скоростей. Это как раз то, за что Майор и Кело получили в этом году Нобелевскую премию. CHEOPS будет использовать весь каталог планет, открытых методом лучевых скоростей, и станет искать транзиты в этих системах.
Когда вы открываете и изучаете планету методом вариации лучевых скоростей, вы, в первую очередь, измеряете ее массу, точнее сказать произведение массы на синус угла ее орбиты относительно луча зрения. Этого, естественно, мало, нужны дополнительные параметры, которые можно получить путем наблюдения транзитов — то есть радиус планеты. В программу CHEOPS входит наблюдение тех звезд, вокруг которых уже обнаружены планеты. Соответственно, появление транзитов для этих избранных объектов позволит гораздо больше узнать об экзопланетах. Например, мы сможем больше сказать об их недрах, поскольку у нас будет независимое определение массы и радиуса, что позволит сделать предположения о распределении плотности.
В некотором смысле, классификация Урана и Нептуна как ледяных гигантов основана на моделях, поскольку точно никто не знает, что у них в недрах. Немного утрируя можно сказать, что об Уране и Нептуне мы знаем не сильно больше, чем о некоторых экзопланетах. Кроме этого, как обычно, нас интересует довольно длительное наблюдение большого количества звезд.
В этом смысле работа CHEOPS будет более осмысленной, чем у предыдущих миссий: это не смотрение в одну площадку в течение нескольких лет и не скользящий обзор всего неба в течение нескольких лет, а это процесс целенаправленных наблюдений. Это отражает позитивную динамику в развитии методов и подходов к изучению экзопланет.
Нужно учитывать, что метод лучевой скорости не позволяет узнать угол наклона орбиты, и поэтому мы и массу измеряем с какой-то точностью. Транзиты (или даже их отсутствие) позволяют понять диапазон возможных параметров системы. Также нужно помнить, что планеты любят собираться примерно в одной плоскости, плюс-минус несколько градусов. Поэтому нет сомнений, что CHEOPS все-таки будет открывать дополнительные планеты в тех системах, где есть заметные вариации лучевой скорости звезды, так что мы смотрим на эти системы вблизи плоскости орбиты.
На первой стадии ученые будут исследовать системы с короткими периодами, поскольку чем ближе планета к звезде, тем выше вероятность транзита — это позволит обеспечить наиболее быстрое получение результата. По мере работы спутника будет пополняться список целей, в него будут включаться долгопериодические планеты, в том числе и те, что попадают в зону обитаемости.
Этот совместный набор данных по транзитам, по лучевым скоростям даже для разных планет у одной звезды обеспечит значительное уточнение параметров всей системы, что крайне важно для проверки и совершенствования моделей эволюции планетных систем в целом.
Если подытожить, сейчас полетит небольшой инструмент, который с помощью транзитного метода будет измерять радиус планет, в первую очередь тех, для которых уже известны массы, полученные методом лучевых скоростей. Благодаря этому мы будем значительно больше знать про эти объекты. Также стоит ожидать попутных открытий новых экзопланет и новой информации о планетных системах.
Характеристики европейского космического телескопа PLATO
Масса — 2134 килограммов, главный инструмент — 26 телескопов-рефракторов диаметром 120 миллиметров каждый, поле зрения — 2250 квадратных градусов.
Запуск запланирован на 2026 год. Предполагается, что ракета-носитель «Союз» выведет аппарат в точку Лагранжа L2 системы Солнце — Земля.
Есть планы и по массовому открытию новых планет. Через несколько лет на орбиту будет отправлен телескоп PLATO — это будет суперустановка для открытия новых маленьких экзопланет, которая будет искать объекты вокруг миллиона звезд. Кроме того, через три года будет опубликован финальный каталог астрометрического аппарата Gaia, из которого, предположительно, можно будет вывести существование еще 10 тысяч новых планет.
В 2028 году полетит европейский аппарат ARIEL — его наблюдательная программа будет похожа на программу CHEOPS, но намного превосходящие технические характеристики должны обеспечить возможность изучения химического состава атомосфер примерно у тысячи экзопланет.
В подготовке материала участвовал Тимур Кешелава