Наследие «Звездного вестника»

В последний октябрьский день 2018 года при подаче с Земли очередной команды наведения телескоп «Кеплер» ушел в безопасный режим. Он так уже поступал несколько раз после выхода из строя гироскопов наведения. Но вчерашний сбой был ожидаемым — уже несколько месяцев «Кеплер» сигнализировал об исчерпании запасов горючего, используемого для поворота и наведения телескопа в космосе. Мы решили вспомнить о результатах, полученных «Кеплером» за время его службы науке.

«Кеплер» добросовестно отработал девять лет, намного превысив заложенный в него ресурс. Передав последние биты информации, он перестал быть действующей космической обсерваторией, но его наследие будет востребовано учеными еще не одно десятилетие. Эту статью мы хотим посвятить самым важным открытиям «Кеплера», а так же тем исследованиям, которые будут выполняться на основе его данных.

Начать следует с того, что «Кеплер» кардинально изменил сам процесс поиска экзопланет. До него открытие каждой планеты у других звезд было событием, Кеплер открывал их буквально пачками. Сайт NASA ведет подсчет всех известных экзопланет и каждый день обновляет данные. На 1 ноября 2018 года «Кеплер» открыл 2327 планет, и еще 4707 ожидают подтверждения (по правилам планета считается надежно обнаруженной, если ее увидели два разных телескопа).

Немного про номенклатуру: большинство планет в статье называются как-то вроде «Kepler-100-d», что можно расшифровать как «у сотой звезды, проверенной телескопом “Кеплер”, это третья обнаруженная планета». Третья, потому что буква «а» зарезервирована за самой звездой, а планеты «b» и «c» были обнаружены раньше.

Самые-самые...

По массе

Самая легкая планета — это Kepler-138-b, которая вращается вокруг ничем не примечательного красного карлика. Ее масса составляет поразительно малые 6 процентов от массы Земли, а факт обнаружения заслужил отдельной статьи в Nature в июне 2015 года. Эта планета по массе приближается к Меркурию, а по размерам — к Марсу, а значит, ее плотность очень невелика и наиболее вероятно, что она состоит из льда (водяного или нет — пока неизвестно).

Несмотря на то, что планета расположена очень близко к своей звезде, льду на ее поверхности ничего не угрожает, ведь красный карлик на 2000 градусов холоднее Солнца, а его диаметр — в два раза меньше нашей звезды.

Про самую массивную планету сказать сложнее. У очень многих планет нам неизвестно наклонение плоскости орбиты, что дает неопределенность массы, выражаемую в виде M × sin(i), где i — это угол наклона орбиты, а М — верхний предел на массу планеты. Поэтому мы приведем планету с самым большим верхним пределом на массу — это Kepler-47(AB)-c, масса которого больше Юпитера в 28 раз (кстати, не ведитесь на данные в Википедии, даже англоязычной — там очевидная опечатка).

Внешне Kepler-47(AB)-c, скорее всего, похож на Нептун — холодный газовый гигант без твердого ядра, насколько можно судить по его плотности. Особенность этой планеты видна из названия — она, как и еще две планеты-соседки, вращаются вокруг не одной, а сразу двух звезд — Kepler-47A и Kepler-47B. Существование подобных систем раньше было под вопросом, потому что компьютерные симуляции предсказывали им гравитационную неустойчивость, в результате которой бóльшая часть планет должна быть выброшена за пределы системы. Существование экзопланет вокруг звезд Kepler-47(AB), видимо, в очередной раз потребует пересмотра и уточнения симуляций формирования планетных систем.

Стоит добавить, что даже такое приблизительное определение массы возможно только для 11 процентов найденных планет. Изучение остальных 89 процентов придется проводить без новых данных «Кеплера».

По размеру

К сожалению, чувствительность телескопа оказалась чуть ниже ожидаемой, поэтому «Кеплер» обнаружил меньше планет размером с Землю, чем мы надеялись, однако радиус самой маленькой планеты составляет всего треть от земного. Kepler-37-b вращается вокруг звезды, очень похожей на Солнце, и рядом с ней вращаются еще три другие планеты. Правда, говорить про воду, и тем более жизнь, на них трудно — даже самая далекая планета вращается в четыре раза ближе к своей звезде, чем Земля относительно Солнца. Так что, скорее всего, поверхность Kepler-37-b — это выжженная каменистая пустыня.

Радиус самой большой планеты превышает юпитерианский в два раза. Это тоже газовый гигант у звезды класса F, то есть чуть более массивной и горячей, чем Солнце. Обнаружение этой планеты и подобных ей указывают на то, что газовые гиганты не обязательно должны быть значительно удалены от звезды (как Юпитер и Сатурн) и могут мигрировать «в более теплые края» уже после формирования. Посмотреть на изображение планеты и ее звездной системы (естественно, глазами художника) можно тут.

По расстоянию от Земли

Самые близкие планеты расположены у звезды Kepler-444 в созвездии Лира. Мы сейчас видим звезду такой, какая она была, когда у Альберта Эйнштейна родилась дочь, то есть в 1902 году. Пять каменистых планет вращаются очень близко к поверхности звезды (год на самой удаленной из них длится всего 10 дней) и ничем другим не примечательны. В отличие от самой звезды — этой карликовой звезде больше 11 миллиардов лет, что делает ее не только одной из самых старых в Млечном Пути, но и крайне интересной для изучения условий формирования нашей галактики.

Планета Kepler-40-b, напротив, удалена от нас дальше всего — на 8300 световых лет. «Кеплер» увидел ее благодаря тому, что вращается планета вокруг очень яркой звезды, которая в полтора раза массивнее и в два раза больше Солнца. Планета относится к классу «горячих Юпитеров» — сопоставимых по размерам и массе с гигантом нашей Солнечной системы, но вращающихся намного ближе к звезде-хозяйке.

По количеству планет

Вокруг каждой из трех звезд, Kepler-11, Kepler-20 и Kepler-80, вращаются аж по шесть планет сразу. Kepler-11, как видно из названия, был одной из первых звезд, у которых «Кеплер» обнаружил планеты. По мере поступления новых данных количество планет росло, как рос и интерес к звезде. Она оказалась почти неотличима от Солнца — тот же спектральный класс, та же масса и размеры, а температура поверхности выше солнечной всего на 50 градусов. Однако, к сожалению, все планеты вращаются слишком близко от этой звезды, чтобы можно было говорить про существование на них жидкой воды или подходящей для жизни атмосферы.

Планеты, обращающиеся вокруг Kepler-20, наделали в свое время много шума — это были первые планеты земных размеров, обнаруженные у солнцеподобной звезды, причем речь шла сразу о двух планетах — Kepler-20e и Kepler-20f. К сожалению, скоро выяснилось, что это все те же каменистые безжизненные планеты, ведь вращаются они так близко от звезды, что год на них идет всего 6 и 19 дней соответственно.

Найти свою собственную планету-рекордсмена вы можете и самостоятельно. Самый долгий год, самый большой эксцентриситет или самая высокая температура поверхности — ежедневно обновляющийся сайт Калифорнийского технологического университета позволит вам выбрать экзопланету по вкусу.

Научное наследие «Кеплера»

Несмотря на то, что еще до отключения «Кеплера» на орбиту был выведен охотник за экзопланетами нового поколения, телескоп TESS, данные «Кеплера» несколько десятилетий будут востребованы научным сообществом. В соответствии с принципиальным решением научной группы, работавшей непосредственно с телескопом, все его данные после первичной обработки немедленно публиковались в открытом доступе. Это привело к подобию гонки за самыми сенсационными результатами, потому что у ученых не было обычного в таких случаях запаса в несколько месяцев перед публикацией, когда данные можно всесторонне изучить, не боясь конкуренции сторонних научных групп.

Появившаяся вчера в открытом доступе статья за подписью семерых авторов, имевших отношение к миссии «Кеплера», кратко описывает, какие еще работы и открытия, основанные на данных телескопа, можно ожидать после всестороннего анализа.

Новые экзопланеты

Во-первых, конечно, должны быть открыты новые экзопланеты. И дело не только в том, что планетный статус многих кандидатов, обнаруженных «Кеплером», должен быть подтвержден другими телескопами. «Кеплер» был спроектирован таким образом, чтобы делать полноценный снимок не всего поля зрения, как, например, телескоп «Хаббл», а только некоторых участков, масок. Каждая маска наводилась и центрировалась на отдельной звезде, изменение видимого блеска которой свидетельствовало о прохождении по ее диску экзопланеты. Однако зачастую, в наиболее плотных районах, внутрь маски, помимо основной звезды, попадали и ее соседки. Их блеск тоже мог меняться, но систематический поиск их экзопланет пока не проводился.

Новые планеты должны быть обнаружены и у двойных звезд. По оценкам астрономов, именно двойные звезды составляют до половины звездного населения нашей галактики, следовательно, и значительная часть планет должна вращаться вокруг этих систем. Однако их поиск — это совершенно нетривиальная задача, так как двойные звезды постоянно затмевают друг друга и на этом фоне незначительное изменение блеска, вызванное прохождением планеты, может остаться незамеченным. Кроме того, гравитационное влияние обеих звезд приведет к тому, что экзопланета будет двигаться не по предсказанному Иоганом Кеплером эллипсу, а по намного более сложной траектории, а значит, и выявить периодичность орбиты будет труднее.

Важно понимать, что достоверно обнаружить экзопланету с периодом обращения, равным, например, одному земному году, если срок работы телескопа составляет всего год или два, невозможно — для этого необходимы многолетние наблюдения. И тут данные «Кеплера» за девять лет работы дадут фору даже недавно запущенному телескопу TESS, чей ожидаемый срок службы составляет всего два года.

Проблема с данными «Кеплера», однако, состоит в том, что, наблюдая в течение года одну и ту же область на небе, он постоянно поворачивался относительно Солнца, делая полный оборот ровно за один год. Из-за этого разные его части нагревались по-разному и вносили искажения в изображение, которые повторялись с точностью раз в год. Это затрудняло наблюдения за планетами, удаленными от своей звезды так же, как и Земля — ровно на одну астрономическую единицу, что, естественно, не могло устроить астрономов, чья цель — поиск планет, на которых возможна жизнь. Учет и описание этих систематических искажений стали возможными только после обработки всего корпуса данных, переданных «Кеплером», и работы над их удалением только-только начались.

Нельзя забывать, что несколько тысяч планет, открытых небольшим «Кеплером» (его вес — всего 470 килограмм), как уже было сказано, еще ждут своего подтверждения, и эта работа также займет не один год и так же оказалась возможной.

Двойные звезды

Помимо основной работы по поиску экзопланет, «Кеплер» уже внес или еще внесет существенный вклад и в другие разделы астрофизики.

Как уже было сказано выше, двойные звезды очень распространены в Галактике, причем их массу и размеры можно точно определить, что важно для уточнения моделей эволюции звезд. Обработка всех данных «Кеплера» для составления надежного каталога затменно-переменных звезд была невозможной во время планирования или запуска телескопа. Однако развившиеся с того времени методы анализа изображений, в частности на основе машинного обучения, позволят выполнить этот анализ.

Галактическая археология

Объединение данных «Кеплера» с современными спектральными наблюдениями, проведенными, например, Англо-Австралийского телескопом, а также с параллаксами (которые позволят установить скорость и направление движения звезд), измеряемыми в настоящий момент телескопом Gaia, позволят развить новое направление в астрономии — галактическую археологию.

Речь идет об изучении истории формирования Млечного Пути на основе данных о самых старых звездах. Первые статьи по этой теме были опубликованы в 2013 году, но анализ всех данных «Кеплера» в этом направлении только начался.

Другие галактики

Наконец, нельзя не упомянуть и о внегалактической астрономии. Ориентация «Кеплер»а была выбрана таким образом, чтобы смотреть на области, максимально плотно заселенные звездами, но даже и на этом участке неба сквозь них можно было разглядеть другие галактики. Часть из них попали внутрь масок «Кеплера», и, по статистическим расчетам, за время наблюдений телескоп должен был зарегистрировать до 60 вспышек сверхновых. Такие наблюдения бесценны для астрономов, занимающихся изучением финальной стадии жизни звезд, а также позволяют более точно рассчитать шкалу расстояний во Вселенной, во многом строящуюся на основе данных о сверхновых.

Сверхмассивные черные дыры

Самые значительные результаты (как минимум, по шкале масс и выделяемых энергий) обещает изучение сверхмассивных черных дыр в активных ядрах галактик. Вещество, падающее в такую черную дыру, разогревается до немыслимых температур, и «Кеплер» регистрирует это излучение.

Количество вещества, увлекаемого черной дырой, со временем меняется, а значит, и мощность излучения из активного ядра тоже переменна. Способность следить за подобным изменением блеска — сильная сторона «Кеплера», и уже в этом году вышла статья Кристы Смит, связавшей данные телескопа с массой черной дыры — красивая и важная для науки публикация.<0/p>

За время работы «Кеплера» было выпущено 2496 научных публикаций, авторами которых стали 4968 авторов из 63 стран. На данных, полученных телескопом, были защищены 58 диссертаций, в том числе, как минимум, одна в России. Телескоп не только подарил нам целую россыпь открытий и гигабайты еще не исследованных данных (на которых вырастут новые кандидаты и доктора наук). Поставленные благодаря «Кеплеру» задачи, например по обработке изображений, подтолкнули сообщество астрономов к активному использованию систем машинного обучения (в том числе, к разработке новых алгоритмов) и к созданию специализированных бесплатных пакетов программ и приложений, которые в будущем станут помогать в работе специалистами таких областей, как Astropy или Lightkurve.

Марат Мусин