Телескоп TESS добился первого серьезного успеха

Рис. 1. Планетная система красного карлика TOI-700. Зеленым показана обитаемая зона звезды. Рисунок с сайта nasa.gov

Космический телескоп Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) предназначен для поиска экзопланет вокруг не слишком ярких и не слишком далеких звезд. Сейчас он является единственным полноценно работающим на орбите преемником предыдущего искателя далеких миров — телескопа «Кеплер» (аппарат CHEOPS был запущен в декабре 2019 года и еще не начал научную программу). В начале января работающие с TESS астрономы доложили об открытии экзопланеты, которая одновременно похожа по своим параметрам на Землю и находится в зоне обитаемости. Среди открытых при помощи TESS экзопланет эта — первая, сочетающая оба этих качества. Система TOI-700, в которой она находится, расположена от нас относительно недалеко — всего в 31,1 парсеках.

Телескоп TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite — «спутник для поиска транзитных экзопланет») был запущен в апреле 2018 года. С помощью четырех камер с ПЗС-матрицами, каждая из которых имеет детектор с разрешением 16,8 мегапикселя и поле зрения 24×24 градуса, он ищет планеты земного типа вокруг звезд, расположенных не слишком далеко от Солнца (в пределах нескольких сотен световых лет). Планируется, что в течение двух лет TESS выполнит почти полный обзор неба и сможет проверить более 200 тысяч ближайших звезд. Зона наблюдения (а так или иначе будет охвачено около 85% площади неба) поделена на 26 секторов размером 26×94 градуса. Каждый сектор аппарат наблюдает как минимум 27 дней: из-за того, что некоторые сектора накладываются друг на друга, отдельные участки неба TESS пронаблюдает значительно дольше — до 351 дня для областей вокруг полюсов эклиптики (рис. 2). Первую половину своей двухлетней базовой научной программы TESS наблюдал южную полусферу, а сейчас, находясь почти в середине второго года работы, он обозревает северную полусферу.

Рис. 2. Разными цветами показаны участки неба, которые TESS будет наблюдать разное количество дней. Так как одна из камер телескопа направлена на полюс эклиптики, эту часть неба он обозревает непрерывно. Рисунок с сайта en.wikipedia.org

Короткий срок экспозиции накладывает определенные ограничения на потенциальные открытия телескопа. Дело в том, что для того, чтобы «поймать» экзопланету, необходимо зарегистрировать два, а лучше три транзита (прохождения планеты по диску звезды) — иначе в данных будет слишком много шума. Лучше всего TESS приспособлен к поиску экзопланет с периодом менее 13 дней, поэтому естественно ожидать, что большинство его находок будет иметь маленькие орбитальные периоды, а это означает, что такие экзопланеты находятся очень близко к своим звездам и условия на их поверхности, вероятно, сильно отличаются от земных, даже несмотря на то, что такие экзопланеты иногда попадают в формальную зону обитаемости — область вокруг звезды, где условия хотя бы теоретически могут подходить для известных нам форм жизни (например, вода должна продолжительное время существовать на поверхности в жидком состоянии).

Однако не исключено, что TESS улыбнется удача, и в зоне непрерывного наблюдения он увидит экзопланету с периодом вращения, например, как у Меркурия (88 дней), но у более тусклой, чем Солнце, звезды. Такая планета будет уже реальным кандидатом для дальнейшего поиска следов жизни. В целом, ожидается, что по итогам двух лет работы TESS откроет от 500 до 1000 земель и суперземель, и около 20 суперземель в потенциально пригодной для жизни зоне.

Стоит отметить, что технические возможности TESS достаточно ограничены (во многом это было вызвано низким бюджетом проекта — создание телескопа стоило меньше 400 млн долларов). Так, «глубина зрения» нового телескопа уступает «глубине зрения» Кеплера примерно в 10 раз, а объем исследуемой выборки звезд на единицу телесного угла на три порядка меньше. С другой стороны, светофильтры TESS пропускают более красную часть спектра, на которую приходится максимум излучения красных карликов — относительно холодных звезд с низкой массой (~0,08–0,35 масс Солнца), считающихся сегодня наиболее привлекательными объектами наблюдения для «охотников» за планетами. Правда, сами красные карлики не слишком благоприятствуют зарождению жизни. Во-первых, в молодости эти звезды светят в десятки (или даже в сотни) раз ярче, чем в зрелый период, а во-вторых, у них часто бывают бурные вспышки рентгеновского излучения, что может попросту сдуть атмосферу с близкой планеты (а зона обитаемости у таких звезд очень небольшая и расположена совсем недалеко от звезды из-за слабого излучения). Например, в одной работе астрономы показали, что газовой оболочке планеты, вращающейся на тесной орбите вокруг красного карлика, может понадобиться около 30 000 лет на восстановление даже после единичной бомбардировки высокоэнергетическими частицами — а на практике такие выбросы могут происходит по несколько раз за сутки (O. Venot et al., 2016. Influence of Stellar Flares on the Chemical Composition of Exoplanets and Spectra).

За время работы TESS часть его данных уже была обработана и в них были найдены новые экзопланеты и даже экзопланетные системы (см., например, M. N. Günther et al., 2019. A super-Earth and two sub-Neptunes transiting the nearby and quiet M dwarf TOI-270). А на проходившей в начале января на Гавайях 235-й встрече Американского Астрономического Общества ученые доложили об обнаружении еще одной экзопланетной системы с как минимум тремя планетами, одна из которых похожа по своим физическим характеристикам на Землю и попадает в зону обитаемости (E. A. Gilbert et al., 2020. The First Habitable Zone Earth-sized Planet from TESS. I: Validation of the TOI-700 System).

Звезда TOI-700 (акроним TOI означает Transiting Exoplanet Survey Satellite Object of Interest — «объект интереса телескопа TESS»), вокруг которой эти планеты обращаются, находится в созвездии Золотой Рыбы. В этом созвездии расположен и южный полюс эклиптики — TOI-700 находится всего в 3° от него, — поэтому суммарно система наблюдалась почти год (рис. 3). Звезда удалена от нас на 31,1 парсек (101,4 св. лет).

Рис. 3. Сектора наблюдений телескопа TESS и положение звезды TOI-700. Сама звезда обведена синим квадратиком на верхней врезке. Синим пунктиром обведена область южного небосвода, которую TESS обозревал непрерывно, белое пятно внутри нее — Большое Магелланово облако, белая точка рядом с розовым квадратиком — южный полюс эклиптики. Рисунок из обсуждаемой статьи E. A. Gilbert et al. The First Habitable Zone Earth-sized Planet from TESS. I: Validation of the TOI-700 System

Сама звезда TOI-700 — это красный карлик спектрального класса M2, чья масса и радиус составляют около 40 процентов от массы и радиуса Солнца. Три найденные экзопланеты — TOI-700 b, TOI-700 c и TOI-700 d — из-за своей близости к светилу и, как следствие, сильного гравитационного воздействия, вероятнее всего, находятся в приливном захвате, то есть всегда обращены одной стороной к светилу.

Изучив кривую блеска звезды, астрономы смогли определить период вращения, радиус и плотность планет. Сделали это они благодаря тому, что в момент, когда небесное тело проходит по диску светила, оно частично затмевает его, что выражается в виде короткого падения яркости на кривой блеска. Измеряя глубину и длительность этого падения, астрономы могут выяснить радиус планеты и длительность года на ней, так как планеты на разных орбитах и с разными радиусами дают разные «рисунки» затмения (подробнее см. Кривые блеска и экзопланеты). Если ученые обладают еще и измерениями радиальной скорости звезды, они могут найти массу и, как следствие, плотность экзопланеты — а, значит, и определить ее тип. Правда, в обсуждаемом случае у исследователей не было этих данных, и верхние ограничения на массы планет накладывались с помощью алгоритма Forecaster и анализа небольших отклонений времени наступления транзитов.

Самая близкая к родительской звезде планета, TOI-700 b, совершает один оборот вокруг нее за 10 дней (большая полуось ее орбиты оценивается в 0,064 а. е. — это примерно 9,5 млн км; для сравнения, большая полуось орбиты Меркурия — почти 58 млн км) и почти полностью совпадает по размерам с Землей. Следующая по удаленности экзопланета, TOI-700 c, совершает один оборот вокруг звезды за 16 дней и в 2,6 раза больше нашей планеты. Однако наибольший интерес у астрономов вызвала TOI-700 d: ее радиус всего в 1,16 раз больше земного, год на ней длится чуть больше 37 дней (большая полуось ~0,16 а. е.), и она находится внутри потенциально обитаемой зоны (рис. 1). Предполагается, что две крайние планеты этой системы, TOI-700 b и TOI-700 d, представляют собой каменистые тела, в то время как TOI-700 c, скорее всего, похожа на Нептун.

Изначально ученые неверно определили параметры звезды, посчитав, что она больше и горячее, вследствие чего размеры и температуры планет также оказались завышены. Однако после повторного анализа данных астрономы выявили ошибку и скорректировали результаты. Кроме того, им удалось подтвердить полученные значения с помощью наблюдений космического телескопа «Спитцер» и наземной сети телескопов LCO (J. E. Rodriguez et al., 2020. The First Habitable Zone Earth-Sized Planet From TESS II: Spitzer Confirms TOI-700 d).

По оценкам астрономов, поток излучения, который TOI-700 d получает от своего светила, составляет 86 процентов от потока, который Земля получает от Солнца. При этом за 11 месяцев наблюдений TESS не зарегистрировал у звезды сильной вспышечной активности, что делает ее более уверенным кандидатом в пригодные для жизни планеты, чем, например, планеты системы TRAPPIST-1. Несмотря на то, что исследователи не наблюдали звезду TOI-700 в рентгеновском диапазоне, по спектру они определили период ее вращения вокруг собственной оси: он оказался равен 54 дням — такое значение характерно для зрелых красных карликов и позволяет наложить ограничения на их «яркость». Расчеты показывают, что энергия рентгеновского излучения красного карлика не будет превышать 2,4×10²⁷ эрг, что сравнимо с рентгеновской яркостью Солнца во время максимума цикла активности.

Как в действительности выглядит поверхность TOI-700 d и какие на ней господствуют условия, пока, естественно, остается для ученых загадкой. Однако группа астрономов из Центра космических полетов имени Годдарда NASA в Гринбелте, штат Мэриленд построила 20 климатических моделей, чтобы определить, могут ли при разумных предположениях поверхностные температуры на этой планете быть пригодными для известных нам форм жизни (G. Suissa et al., 2020. The First Habitable Zone Earth-sized Planet from TESS. III: Climate States and Characterization Prospects for TOI-700 d).

Ученые рассмотрели два типа модельных планет: водные, чья поверхность полностью покрыта океаном глубиной 50 метров, и пустынные, на которые океан отсутствует. Кроме того, исследователи включили в анализ три вида атмосфер — «современную земную», где доминирует азот (N₂), а содержание углекислого газа и метана по объему составляет 400 и 1,7 миллионных долей; «архейскую», где содержание углекислого газа и метана было выше, чем сейчас (что согревало нашу планету, когда Солнце было моложе и тусклее); и «древнюю марсианскую», в которой доминировал, как считается, углекислый газ. Исследователи исключили из анализа кислород, поскольку, в отличие от парниковых газов, он очень слабо влияет на температуру на поверхности планеты. Давление на планетах варьировалось от 0,5 до 10 атмосфер. Полный список исходных условий можно посмотреть в таблице 2 в обсуждаемой статье.

Температура поверхности планет-океанов в полученных моделях варьировались от 236 до 364 кельвин (от −37 до 90 градусов Цельсия). Тем не менее, даже при условии «парникового эффекта» получается, что средняя температура для всех «водных» миров составляет 260 кельвин (−13 градусов Цельсия), а лед покрывает более 60 процентов поверхности. В самом «холодном» случае, когда в атмосфере отсутствовал углекислый газ и доминировал азот, свободными ото льда оставались всего 24 процента поверхности планеты и только тогда, когда «солнце» находилось в зените.

Температуры планет-пустынь оказались примерно на 10–20 кельвин ниже, чем для планет-океанов при тех же исходных условиях. Несмотря на то, что «сухие» миры технически не пригодны для существования жизни, ученые все равно включили их в анализ, так как они допускают существование полярных шапок или подповерхностных источников воды, которые смогут создавать слабые гидрологические циклы.

Кроме того, ученые также смоделировали возможные спектры TOI-700 d — то есть (если говорить совсем упрощенно) то, как планета будет отражать звездный свет (рис. 4). Сделано это было для того, чтобы в будущем иметь возможность сравнить реальные данные с симуляциями и понять, на что похож открытый телескопом TESS мир. К сожалению, современные обсерватории и те, что будут запущены в ближайшее время, в том числе и телескоп им. Джеймса Уэбба, не позволят нам получить столь точную информацию для системы TOI-700: по сравнению с родительской звездой планеты все равно слишком малы и инструментам попросту не хватит разрешения для того, чтобы выделить их спектр. В лучшем случае (хотя это тоже маловероятно), новые телескопы смогут определить наличие атмосферы в целом. Так что для более детального изучения открытых миров надо будет ждать еще более совершенной наблюдательной техники.

Рис. 4. Ожидаемый спектр для водных планет с «архейской» атмосферой и давлением 1 бар. Одна их них находится в приливном захвате (красный график), а другая — в орбитальном резонансе 2:1. Рисунок из обсуждаемой статьи G. Suissa et al., 2020. The First Habitable Zone Earth-sized Planet from TESS. III: Climate States and Characterization Prospects for TOI-700 d

Также остается открытым вопрос наличия атмосферы в принципе. Оценки, основанные на наблюдениях телескопа Gaia, показывают, что хотя красный карлик TOI-700 достаточно молод, он уже должен был пройти через фазу повышенной «яркости», которая может длиться несколько миллиардов лет. В этом случае, как уже обсуждалось выше, первичную атмосферу с TOI-700 d могло просто «сдуть» мощным излучением. С другой стороны, есть шанс, что в ходе эволюции у планеты образовалась вторичная атмосфера, однако для этого требуются тектоническая активность и извержения вулканов.

Тем не менее, TOI-700 остается привлекательным кандидатом для исследований даже сейчас. Например, астрономы пока что не могут ответить, как именно сформировалась такая система, в которой экзонептун затесался между двумя небольшими каменистыми планетами. В принципе, необычная конфигурация может объясняться разной скоростью формирования планет или миграцией, однако до окончательного ответа здесь еще далеко.

Источники:
1) E. A. Gilbert et al. The First Habitable Zone Earth-sized Planet from TESS. I: Validation of the TOI-700 System // Препринт arXiv:2001.00952 [astro-ph.EP].
2) J. E. Rodriguez et al. The First Habitable Zone Earth-Sized Planet From TESS II: Spitzer Confirms TOI-700 d // Препринт arXiv:2001.00954 [astro-ph.EP].
3) G. Suissa et al. The First Habitable Zone Earth-sized Planet from TESS. III: Climate States and Characterization Prospects for TOI-700 d // Препринт arXiv:2001.00955 [astro-ph.EP].

Кристина Уласович