Астрономы предлагают изменить привычную стратегию поиска потенциально обитаемых планет. Вместо того чтобы в основном изучать одиночные звёзды, исследователи хотят обратить внимание на ближайшие двойные системы, где две звезды обращаются вокруг общего центра масс. Для этого разработана концепция небольшой космической миссии SHERA, способной с чрезвычайно высокой точностью измерять изменение расстояния между двумя звёздами и по этим колебаниям искать планеты земного типа.
Несмотря на тысячи уже обнаруженных экзопланет, среди них пока нет надёжно подтверждённого аналога Земли в наиболее интересном для астробиологии смысле — каменистой планеты земной массы, обращающейся в обитаемой зоне звезды, похожей на Солнце. В 2026 году известно уже более 6000 подтверждённых или статистически валидированных экзопланет, однако обнаружение именно таких миров остаётся крайне сложной задачей.
Причина заключается не только в технических ограничениях телескопов. Большая часть ближайших звёзд солнечного типа входит в двойные или более сложные многозвёздные системы. Такие системы обычно стараются обходить при поиске небольших планет, поскольку присутствие второй звезды значительно усложняет измерения. Новая концепция предлагает использовать это обстоятельство не как недостаток, а как преимущество: в двойной системе сама звезда-компаньон может стать чрезвычайно точной «линейкой» для измерения движения другой звезды.
Почему настоящую «Землю 2.0» пока так трудно найти
Поиск небольших планет вокруг звёзд, похожих на Солнце является одной из наиболее сложных задач современной экзопланетологии. Земля чрезвычайно мала по сравнению с Солнцем, а её воздействие на движение звезды настолько незначительно, что зарегистрировать его на больших расстояниях крайне трудно.
При этом выражение «планета, похожая на Землю» само по себе требует осторожности. В рамках рассматриваемого исследования под Earth-like planets понимаются каменистые планеты в обитаемой зоне звёзд солнечного типа. Это не означает автоматически наличие атмосферы, океанов, пригодного климата или жизни. Обитаемая зона лишь обозначает диапазон расстояний от звезды, где при подходящих атмосферных условиях на поверхности планеты может существовать жидкая вода.
Транзиты требуют удачного расположения орбиты
Один из наиболее результативных способов обнаружения экзопланет — транзитный метод. Телескоп непрерывно измеряет яркость звезды и ищет небольшое падение блеска, возникающее в момент прохождения планеты перед её диском.
Метод чрезвычайно эффективен, но имеет геометрическое ограничение. Орбита планеты должна быть ориентирована таким образом, чтобы планета периодически проходила между звездой и наблюдателем с Земли. Если плоскость орбиты расположена под другим углом, транзитов мы просто не увидим.
Для землеподобной планеты на орбите, аналогичной земной, проблема усугубляется длительным периодом обращения. Наблюдения должны продолжаться годами, чтобы зарегистрировать несколько повторяющихся транзитов и убедиться, что сигнал действительно связан с планетой.
Космические телескопы Kepler и TESS значительно расширили статистику известных экзопланет, но их возможности не позволяют эффективно решать задачу поиска земных аналогов вокруг ближайших ярких звёзд солнечного типа. Даже будущие транзитные проекты, такие как европейская миссия PLATO, в первую очередь будут давать статистику распространённости таких планет, тогда как подробное изучение отдельных ближайших миров потребует других методов.
Метод лучевых скоростей тоже сталкивается с пределом чувствительности
Другой распространённый способ основан на измерении лучевой скорости звезды. Планета своим притяжением заставляет звезду немного двигаться вокруг общего центра масс. Для наблюдателя это проявляется как периодическое изменение скорости движения звезды вдоль луча зрения.
Для системы, в которой планета земной массы обращается вокруг звезды солнечной массы на расстоянии около одной астрономической единицы, амплитуда такого движения составляет всего примерно 9 сантиметров в секунду. Современные высокоточные спектрографы уже приближаются к точности порядка 50 сантиметров в секунду на длительных временных интервалах, но дополнительную проблему создаёт сама звезда: её пятна, активность и другие процессы создают собственные изменения лучевой скорости.
Именно поэтому простое дальнейшее повышение точности спектрографов не решает проблему полностью. Для обнаружения земного аналога требуется отделить чрезвычайно слабое движение звезды из-за планеты от гораздо более сложных сигналов, возникающих на поверхности самой звезды.
Почему двойная звезда может оказаться лучшим ориентиром
Идея SHERA основана на другом типе измерений — астрометрии. В данном случае исследователи не пытаются определить абсолютное положение звезды на небе с максимальной точностью. Вместо этого они измеряют, как меняется расстояние между двумя звёздами двойной системы.
Это принципиально важное различие.
В обычной астрометрии положение звезды сравнивают с удалёнными фоновыми звёздами. Но сами фоновые объекты могут быть довольно тусклыми, а изменение оптических свойств телескопа способно имитировать небольшие перемещения. SHERA предлагает сравнивать две яркие звезды, которые находятся рядом на небе и связаны общей гравитационной системой.
Две звезды превращаются в космическую измерительную шкалу
Если вокруг одной из звёзд обращается планета, она немного смещает эту звезду относительно общего центра масс. В результате расстояние и направление между двумя компонентами двойной системы будут периодически меняться.
Именно это изменение и должно регистрировать SHERA. Само движение двух звёзд по их общей орбите может быть гораздо больше, чем сигнал от планеты, но движение двойной системы предсказуемо и может быть учтено при анализе. Небольшая дополнительная периодическая составляющая способна указывать на присутствие планеты.
Здесь есть важное преимущество: вторая звезда не является далёким неподвижным фоном. Она движется вместе с первой звездой в одной системе. Поэтому значительная часть проблем, связанных с изменениями фонового поля и широкоугольной оптики, уменьшается.
Исследователи рассчитывают достичь точности относительной астрометрии на уровне порядка одной микросекунды дуги. Для сравнения, современные измерения абсолютной астрометрии находятся примерно на уровне 100 микросекунд дуги. Концепция SHERA должна приблизиться к точности, почти в 20 раз превосходящей нынешний лучший уровень глобальной астрометрии Gaia.
Речь идёт о движении, которое практически невозможно увидеть напрямую
Масштаб задачи хорошо показывает пример системы Альфа Центавра. Она находится всего примерно в 1,33 парсека, или 4,34 светового года, от Солнца. Для гипотетической планеты земной массы в обитаемой зоне Альфа Центавра A ожидаемая астрометрическая амплитуда составляет около 2,5 микросекунды дуги, а для планеты вокруг Альфа Центавра B — около 1,7 микросекунды дуги.
Даже такие значения чрезвычайно малы. Для планеты земного типа вокруг звезды солнечного типа на расстоянии 10 парсеков, то есть примерно 33 световых лет, ожидаемое смещение составляет всего около 0,3 микросекунды дуги. Это на порядки меньше многих современных астрометрических сигналов.
Поэтому SHERA не является просто «ещё одним телескопом». Вся концепция строится вокруг того, чтобы создать измерительную систему, в которой чрезвычайно слабое движение звезды можно отделить от гораздо более сильных изменений положения двойной системы и инструментальных эффектов.
Как будет работать миссия SHERA
SHERA расшифровывается как Searching for Habitable Exoplanets with Relative Astrometry — «поиск обитаемых экзопланет с помощью относительной астрометрии». Это концепция миссии класса NASA Small Explorer, а не утверждённая космическая миссия.
Предлагаемый аппарат должен работать на низкой околоземной орбите и в течение примерно трёх лет наблюдать специально отобранные близкие двойные системы. Основной образец включает 14 звёзд в семи системах. Все они достаточно яркие и расположены сравнительно близко к Солнцу, чтобы небольшая оптическая система могла получить необходимую точность.
Небольшой телескоп с необычным зеркалом
Диаметр основного зеркала SHERA должен составлять всего около 22 сантиметров. На первый взгляд это кажется недостаточным для поиска земных планет, однако задача аппарата принципиально отличается от обычной фотометрической съёмки.
На зеркало планируется нанести специальную дифракционную структуру. Она создаёт контролируемый рисунок света на детекторе и одновременно выполняет роль своеобразной встроенной измерительной шкалы.
Такой подход позволяет отслеживать изменения характеристик оптической системы и детектора. Если элементы прибора немного меняют положение или свойства, это не должно автоматически интерпретироваться как движение звезды. Дифракционная структура помогает определить состояние оптической системы непосредственно по получаемому изображению.
Основной диапазон наблюдений должен быть сосредоточен около длины волны 550 нанометров с полосой пропускания шириной около 100 нанометров. Благодаря яркости целевых звёзд аппарат сможет получать данные с высокой частотой — около 20 измерений в секунду. Это необходимо в том числе для уменьшения влияния быстрых колебаний самого космического аппарата.
Инструмент будет постоянно контролировать собственные ошибки
Для эксперимента с точностью порядка микросекунды дуги недостаточно просто построить хороший телескоп. Любое небольшое изменение температуры, положения детектора, характеристик пикселей или эффективной длины волны света способно повлиять на результат.
Поэтому SHERA предусматривает постоянную калибровку. Дифракционная структура должна помогать отслеживать изменения оптической системы, а дополнительные дифракционные элементы будут создавать спектральные сигналы, позволяющие контролировать изменения эффективной длины волны света.
Такой подход позволяет не требовать от телескопа абсолютно идеальной стабильности. Вместо этого часть изменений предполагается измерять и включать непосредственно в модель наблюдений. Для микроскопических астрометрических сигналов это принципиально важно.
Почему для поиска выбрали именно двойные системы
Двойные звёзды долгое время считались скорее осложнением для поиска небольших планет. Гравитация второй звезды изменяет архитектуру планетной системы, а её свет может мешать наблюдениям.
Но это не означает, что планеты в таких системах обязательно редки или непригодны для существования.
Исследования показывают, что влияние звезды-компаньона сильно зависит от расстояния между двумя звёздами. В близких двойных системах распространённость короткопериодических планет действительно ниже, чем у одиночных звёзд. При расстояниях между компонентами менее примерно 50 астрономических единиц такое подавление особенно заметно. При увеличении расстояния эффект становится слабее, а для двойных систем с разделением порядка 200 астрономических единиц и более статистически заметной разницы для короткопериодических планет уже не обнаруживается.
Двойная система не обязательно разрушает планетную систему
Гравитация второй звезды может влиять на формирование протопланетного диска, ограничивать его размеры или изменять орбиты уже сформировавшихся планет. Однако при подходящих параметрах планета может оставаться на устойчивой орбите вокруг одной из звёзд.
Для каждой компоненты двойной системы существует область, внутри которой планета может двигаться устойчиво на протяжении длительного времени. Её размер зависит прежде всего от расстояния между звёздами, их масс и эксцентриситета взаимной орбиты.
Если обитаемая зона звезды полностью или большей частью располагается внутри такой устойчивой области, двойная система остаётся вполне разумной целью для поиска небольших планет.
В отобранных для SHERA системах расчёты показывают, что консервативные обитаемые зоны в большинстве случаев находятся внутри теоретически устойчивых областей. Исключением является 36 Офиух, где внешняя граница обитаемой зоны несколько выходит за пределы рассчитанной области устойчивости: около половины обитаемой зоны при этом всё равно остаётся внутри неё.
Семь ближайших систем станут главными целями
При первоначальном отборе исследователи рассмотрели примерно 200 отдельных звёзд в двойных системах, удовлетворявших требованиям по яркости, расстоянию между компонентами и их взаимному расположению на небе. После моделирования чувствительности был выбран гораздо более компактный основной список из 14 звёзд в семи системах.
В него входят Альфа Центавра, 61 Лебедя, 70 Змееносца, 36 Офиуха, ξ Волопаса, p Эридана и HR 2667/2668. Большинство наиболее перспективных целей находится на расстоянии менее 10 парсеков, а весь основной список — примерно в пределах 17 парсеков.
Особенно выделяется Альфа Центавра — ближайшая к Солнцу звёздная система. В ней две звезды, Альфа Центавра A и B, похожи на Солнце, хотя имеют несколько разные характеристики. Именно близость этой системы делает возможные планетные сигналы относительно крупными с точки зрения астрометрии.
Другие цели также представляют большой интерес. Например, 61 Лебедя находится примерно в 11,4 светового года от Земли, 70 Змееносца — примерно в 16,7 светового года, 36 Офиуха — примерно в 19,4 светового года, а ξ Волопаса — примерно в 22 световых годах. Эти расстояния делают найденные планеты потенциально гораздо более привлекательными для последующих исследований, чем аналогичные миры вокруг далёких звёзд.
SHERA может искать не только земные аналоги
Главная цель концепции — обнаружение небольших планет в обитаемых зонах, но научная программа гораздо шире.
При достаточно точных измерениях астрометрия позволит находить планеты разных масс и на разных орбитах. Поэтому данные SHERA могут дополнить результаты наземных спектрографов, которые измеряют движение звёзд вдоль луча зрения.
Это особенно важно для многозвёздных систем, где хочется знать не только наличие планеты, но и полную геометрию её орбиты.
Сочетание астрометрии и лучевых скоростей
Астрометрические измерения SHERA будут показывать движение звезды в плоскости неба вдоль направления, заданного положением второй звезды. Метод лучевых скоростей, напротив, измеряет движение вдоль луча зрения.
Если объединить эти два независимых типа данных, можно получить значительно более полную картину движения планеты и определить параметры её орбиты в трёх измерениях. В некоторых случаях это также позволит точнее определить массу планеты.
Это особенно интересно для систем, в которых вокруг двух звёзд могут существовать несколько планет. Их взаимные наклоны и расположение орбит несут информацию о том, как система формировалась и какие динамические процессы происходили в ней впоследствии.
Поэтому SHERA должна стать не только инструментом поиска новых миров, но и способом изучения архитектуры планетных систем.
Сколько планет может обнаружить SHERA
Согласно моделированию, наиболее близкие восемь звёзд основного списка будут доступны для поиска планет массой примерно от 0,4 до 4 масс Земли в обитаемых зонах. При предположении, что такие планеты встречаются в двойных системах с той же частотой, что и у одиночных звёзд, расчёты дают ожидаемый результат примерно в четыре небольших планеты в обитаемой зоне с неопределённостью порядка двух планет.
Это не прогноз гарантированного открытия четырёх «новых Земель». Число является статистической оценкой, зависящей от принятой частоты планет и результатов моделирования чувствительности миссии.
Более того, одна из важнейших научных задач SHERA заключается именно в проверке того, насколько справедлива предпосылка о одинаковой частоте планет в одиночных и многозвёздных системах.
Даже отсутствие находок будет результатом
Исследователи предлагают использовать SHERA не только для поиска планет, но и для проверки того, насколько двойные звёзды подавляют формирование небольших миров.
Для этого вся выборка из 14 звёзд рассматривается как статистический эксперимент. Если SHERA обнаружит достаточно планет, можно будет сравнить их распространённость с оценками для одиночных звёзд.
Если же планет окажется очень мало, это также станет важным результатом. Согласно моделированию, обнаружение менее двух планет в выбранной выборке позволило бы с высокой статистической значимостью отвергнуть предположение о том, что распространённость планет в соответствующем диапазоне орбит такая же, как вокруг одиночных звёзд.
Таким образом, миссия способна ответить сразу на два разных вопроса: существуют ли рядом с нами землеподобные планеты в двойных системах и насколько вообще распространены такие планеты.
Главная проблема SHERA — не только техническая
Даже если аппарат будет построен, интерпретация его данных не будет простой. Относительная астрометрия имеет собственные ограничения.
Прежде всего измеряется в основном изменение расстояния между двумя звёздами, а не полное двумерное движение. Поэтому некоторые параметры орбиты планеты могут оставаться неоднозначными. В частности, масса и наклон орбиты связаны между собой, если доступна только такая проекция движения.
Есть и другая проблема: само измерение не всегда сразу показывает, вокруг какой именно звезды двойной системы обращается обнаруженная планета. Сигнал может указывать на то, что одна из компонент испытывает дополнительное движение, но для однозначного определения хозяина планеты могут потребоваться дополнительные данные.
Именно поэтому предполагается сочетать SHERA с наземными измерениями лучевых скоростей и будущими средствами прямого наблюдения.
Связь с будущим поиском жизни
Особое значение SHERA может получить в сочетании с будущим Habitable Worlds Observatory — крупной космической обсерваторией, предназначенной для поиска и исследования потенциально обитаемых планет вокруг ближайших звёзд.
Главная проблема для такой обсерватории заключается в том, что сначала необходимо точно установить существование планеты и определить её орбиту. Даже для мощного космического телескопа это может потребовать большого количества наблюдательного времени.
SHERA способна заранее определить, какие из ближайших ярких звёзд действительно имеют небольшие планеты в обитаемой зоне. Такие планеты затем станут приоритетными целями для более мощных телескопов.
Тринадцать из четырнадцати звёзд особенно интересны для будущих наблюдений
Из 14 звёзд основного списка SHERA 13 относятся к категории приоритетных целей первого уровня для Habitable Worlds Observatory. Поэтому даже если сама небольшая миссия не сможет исследовать атмосферу найденной планеты, она может существенно сократить область поиска для будущей крупной обсерватории.
Для потенциального земного аналога это особенно важно. Сначала необходимо обнаружить планету, затем определить её орбиту, массу и положение относительно звезды. И только после этого имеет смысл тратить значительное время крупного телескопа на попытку получить спектр атмосферы и искать в нём химические признаки, которые могут быть связаны с условиями, пригодными для жизни.
При этом обнаружение планеты в обитаемой зоне само по себе не будет означать обнаружение жизни. Оно лишь даст объект, который можно изучать значительно подробнее.
SHERA выросла из проекта TOLIMAN
Концепция не появилась с нуля. Её технологической основой стал проект TOLIMAN, разрабатываемый для астрометрического изучения системы Альфа Центавра.
TOLIMAN должен использовать небольшой телескоп на платформе формата 16U CubeSat. Его задача значительно уже: наблюдение Альфа Центавра A и B с микросекундной точностью. Планируется запуск в 2027 году и примерно год работы на орбите.
Разработка TOLIMAN позволила отработать дифракционную структуру и методы обработки астрометрических данных. SHERA фактически предлагает расширить эту концепцию с одной системы до целой выборки ближайших двойных звёзд.
Такой переход важен не только для поиска планет. Наблюдение сразу нескольких систем позволит сравнивать их между собой и получать статистические данные о формировании планет в двойных системах.
Это пока не утверждённая космическая миссия
Несмотря на привлекательные научные перспективы, SHERA пока остаётся концепцией. Утверждённого решения о запуске аппарата нет.
Авторы рассматривают проект как относительно небольшую миссию класса Small Explorer, которая могла бы выполнять специализированную задачу значительно дешевле крупных космических обсерваторий. Однако между научной концепцией и реальным запуском космического аппарата существует множество этапов — от технологической демонстрации и отбора проекта до финансирования, проектирования, изготовления, испытаний и запуска.
Поэтому говорить, что NASA уже готовит запуск SHERA, было бы неправильно. На сегодняшний день речь идёт о предложенной концепции миссии, обоснованной расчётами её возможностей и научной ценности.
Почему поиск «второй Земли» может начаться именно с двойных звёзд
За последние десятилетия астрономы нашли тысячи экзопланет, но большая часть наиболее известных миров либо существенно отличается от Земли, либо находится слишком далеко для подробного исследования. Настоящая задача следующего этапа — найти небольшие каменистые планеты в обитаемых зонах ближайших звёзд солнечного типа и получить возможность изучать их непосредственно.
Двойные системы в этом поиске долго воспринимались как неудобная категория. Вторая звезда усложняет формирование планет, их динамику и наблюдения. Но именно наличие яркого звёздного компаньона может сделать астрометрические измерения значительно точнее: вместо слабых и удалённых фоновых звёзд появляется яркая звезда, связанная с целью общей гравитационной системой.
SHERA предлагает использовать это преимущество для достижения точности, недоступной обычной астрометрии. Если концепция будет реализована, она сможет исследовать семь ближайших двойных систем, искать планеты массой от долей до нескольких масс Земли, проверять распространённость таких миров в многозвёздных системах и уточнять архитектуру уже известных или новых планетных систем.
Самое важное здесь заключается в том, что речь идёт не о готовом открытии «второй Земли», а о новом способе приблизиться к её поиску. Расчёты показывают, что у ближайших двойных звёзд действительно есть перспективные области для поиска небольших планет, а относительная астрометрия может дать необходимую точность. Если SHERA когда-либо станет реальной миссией и обнаружит такие миры, ближайшие из них могут стать одними из первых объектов, которые последующие поколения космических телескопов будут изучать уже не просто как точки на небе, а как отдельные планетные системы.
Источники:
Статья создана по материалам UniverseToday.com
