Фантастика становится реальностью: история открытия планеты альфа Центавра B b

Борислав Славолюбов

15 октября 2012 года Южная Европейская Обсерватория пригласила журналистов на пресс-конференцию, которая должна была пройти 16 октября. На этой пресс-конференции европейские астрономы собирались рассказать об открытии замечательной планеты, сделанном с помощью HARPS - самого точного спектрографа в мире. Интриговало и то, что разглашать открытие журналистам было запрещено вплоть до 17 октября, когда статья, посвященная открытию новой планеты, будет опубликована в авторитетном научном журнала Nature [1]. Однако из-за сбоя при работе сайта ESO пресс-релиз об открытии стал виден всему миру за несколько часов до официального обнародования. Его значимость превзошла самые смелые ожидания - планета оказалась в ближайшей к Солнцу звездной системе, у звезды альфа Центавра В.

Художественное представление новой планеты из пресс-релиза ESO об открытии.

Чтобы лучше понять значимость этого открытия, надо обратиться к его предыстории. Поиски планет в системе звезды альфа Центавра начались не много не мало - почти ровно 20 лет назад, в ноябре 1992 года. Еще в 1987 году группа астрономов из техасской обсерватории Мак Дональда начала поиски планет у 33 ближайших желтых карликов на северном небе. Чтобы охватить и южное небо, они приступили к подобным поискам на 1.4-метровом телескопе CAT в Ла Силье. С ноября 1992 года по апрель 1998 года ученые вели поиск планет у 39 ближайших к Солнцу желтых и красных карликов. Среди этих звезд были все три звезды из системы Альфа Центавра.

За пять с половиной лет в течение 43 различных ночей наблюдений было сделано 205 индивидуальных замеров лучевой скорости звезды альфа Центавра B. Средняя точность каждого замера составляла около 10 метров в секунду. Такая точность позволяет находить лишь коротко-периодичные планеты-гиганты, которых ни у одной из компонентов звезды альфа Центавра обнаружить не удалось.

Верхние пределы для возможных планет у Альфы Центавры B из обзора на САТ (жирная линия). [2]

В 1998 году эстафету наблюдений этой системы подхватили два наиболее успешных научных коллектива, занятых поиском экзопланет методом измерения лучевых скоростей родительских звезд - Женевская и Калифорнийская группы. Женевская группа начала наблюдения системы альфа Центавра в составе выборки из 1650 звезд, расположенных не далее 50 парсек от Солнца, с помощью спектрографа CORALIE, установленном на 1.2-метровом телескопе Euler Swiss в обсерватории La Silla, Чили. Калифорнийская группа наблюдала эту систему в составе 200 звезд на спектрографе UCLES, установленном на 3.9-метровом Англо-Австралийском телескопе (ААТ). Оба обзора также были нацелены на поиск планет-гигантов, но не только планет-гигантов на тесных орбитах (горячих юпитеров), но и планет-гигантов на широких орбитах - аналогов Юпитера. Оба обзора успешно продолжают свою работу до сих пор.

Главным отличием обоих проектов друг от друга заключалось в том, что ААТ/UCLES давал уже точность измерения лучевых скоростей родительских звезд 2-3 метра в секунду, а у Euler/CORALIE - только 10 метров в секунду. Однако европейцы быстро создали новый спектрограф, который до сих пор считается одним из лучших не только на южном небе, но и во всем мире.
Этим спектрографом стал HARPS, установленный на 3.6-метровом телескопе в Ла Силье в ESO. Его уникальная точность в 1 метр в секунду позволила Женевской группе отобрать 400 желтых карликов для тщательного поиска коротко-периодичных планет (с периодом до 50-100 суток) массой в 3-30 масс Земли. Среди этих звезд была и альфа Центавра. Этот пятилетний обзор позволил сделать вывод, что около половины G-звезд обладают коротко-периодичными маломассивными планетами (суперземлями и нептунами). Впоследствии этот же вывод подтвердил и космический телескоп им. Кеплера.

С большой задержкой к той же наблюдательной стратегии перешла и Калифорнийская группа. Среди 200 звезд выборки ААТ они отобрали 55 звезд для тщательного высокочастотного поиска. Проект получил название Anglo-Australian Rocky Planet Search. Первые 24 звезды наблюдалась в течение 2 месяцев подряд в январе-феврале 2007 года. Среди них и были оба компонента (A и B) звезды альфа Центавра. Этот обзор позволил исключить у них планеты массой больше 3 масс Земли на орбитах короче 16 суток [3].

Поиски горячих суперземель и нептунов у десятков и сотен звезд привели американских и европейских астрономов к мысли, что метод лучевых скоростей позволяет найти и аналоги Земли у желтых карликов. Раньше это считалось невозможным из-за того, что еле заметные колебания лучевой скорости звезды, вызываемые влиянием близкой маломассивной планеты, сравнимы с собственными колебаниями поверхности даже самых спокойных звезд. Чтобы разделить их статистическими методами, требовалось сконцентрировать усилия лишь на нескольких наиболее перспективных звездах. Тут была важна как яркость звезды (чем ярче звезда, тем меньше нужна экспозиция для получения спектра с хорошим отношением сигнала к шуму), так и показатель звездной активности (как правило, оранжевые карлики спокойнее желтых).

Весной 2008 года одна из участников Калифорнийской группы Дебра Фишер публично объявила, что группа решила сконцентрировать свои усилия по поиску аналогов Земли на звезде альфа Центавра. Группа получила спонсорскую поддержку в размере 1-2 млн. долларов для наблюдений на 1.5-метровом телескопе в чилийской обсерватории CTIO с помощью старого спектрографа. Через некоторое время исследователи были вынуждены изготовить новый спектрограф CHIRON для более точных измерений. Свои поиски авторы подкрепили компьютерным моделированием планетообразования в двойной системе, согласно которому вероятность наличия небольших планет в радиусе 2-4 а.е от каждой звезды в плоскости орбиты звездной пары A и B была довольно велика.

Дебра Фишер с коллегой работают на спектрографе на 1.5-метровом телескопе в CTIO , который наблюдает систему альфа Центавра.

В 2008 году Женевская группа также начала подобный проект. О его начале не было публично объявлено, подробности стали известны лишь спустя некоторое время. Европейцы подошли к проблеме более осторожно. Они сконцентрировали свои усилия не на одной, а на 10 звездах, которые до тех пор не показали признаков наличия планет. Среди этих звезд и была альфа Центавра B. 10 звезд были отобраны так тщательно, что, к примеру, в их чисто не вошла альфа Центавра A из-за более высокого уровня хромосферной активности. К 2011 году этот проект позволил обнаружить планеты у 3 звезд из 10. Масса новых планет составляла 3-5 масс Земли, а полуамплитуда колебаний лучевой скорости звезд - меньше 1 метра в секунду. Про звезду альфа Центавра В было сказано, что анализ наблюдений этой звезды будет опубликован в отдельной работе. Очевидно, что уже тогда возможная планета активно обсуждалась европейскими учеными [4].

Прошел еще один год, и четвертой звездой из десяти стала та самая знаменитая альфа Центавра B. Накопив с февраля 2008 года по июль 2011 года 459 замеров лучевой скорости с точностью единичного замера в 0,8 метров в секунду, европейские астрономы обнаружили четкий периодический сигнал с периодом 3,2 суток и полуамплитудой в 0,51 метров в секунду, что означает планету с минимальной массой в 1.13 + 0.09 масс Земли. Предыдущий рекорд также был получен с помощью HARPS в 2010 году - полуамплитуда колебаний лучевой скорости звезды составила 0.82 метра в секунду, в период - 1.1 суток (когда была открыта планета HD 10180 b). Вероятность ложного открытия планеты альфа Центавра B b составила 0.02%. Кроме того, в полученных данных просматривается сигнал другой возможной планеты массой в 4.6 масс Земли на 250-суточной орбите, но для его подтверждения пока не хватает данных.

Сигнал планеты альфа Центавра B b на периодиограмме.

Сигнал возможной второй планеты в системе.

Несмотря на небольшую вероятность ложного сигнала возможность, что сигнал все-таки ложный, существует, поэтому планете альфа Центавра B b требуется независимое подтверждение.

Как говорилось выше, помимо Женевской группы больше всего звезду альфа Центавра наблюдает Дебра Фишер с коллегами. Как рассказала сама Дебра журналистам Планетного общества, ученые из Женевской группы рассказали ей об открытии за неделю до официального объявления. Проверка сигнала в американских данных не позволила обнаружить планету. Дело в том, что самые точные измерения в CTIO начались в июне 2012 года с помощью новейшего спектрографа. Только эти, самые последние замеры лучевой скорости были сделаны с той же точностью, как у HARSP -а - 1 метр в секунду. Поэтому пока у Дебры Фишер и ее коллег есть данные для проверки лишь за 5 месяцев, в то время как у Женевской группы - за 5 лет. Но американцы готовы продолжить интенсивные наблюдения для подтверждения (или опровержения) сигнала сразу, как только звезда альфа Центавра подымется над горизонтом достаточно высоко - в январе 2013 года [5].

В любом случае, серьезная заявка на открытие первой планеты в ближайшей к Солнцу звездной системе позволяет сконцентрироваться не только на независимом подтверждении планеты альфа Центавра B b , но и на поиске других планет ближе к зоне обитания. Тут большие надежды возлагаются на новый спектрограф Женевской группы ESPRESSO , который установят на 8-метровом VLT предположительно в 2016 году. Точность измерения лучевой скорости им должна достичь 10 см в секунду!
Кроме того, вероятность, что планета альфа Центавра B b может находиться в транзитной конфигурации, достаточно велика. Геометрическая вероятность транзита планеты, находящейся на расстоянии 0.04 а.е. от звезды альфа Центавра B , составляет 10%. При этом орбита звездной пары альфа Центавра A и B наклонена к земному наблюдателю под углом почти 80 градусов, что резко повышает шансы на обнаружение транзитов в том случае, если орбита планеты лежит в той же плоскости. Ожидаемая глубина транзитов близка к 0,1%, такую точность дают только космические телескопы, причем вполне хватит миниатюрного вроде канадского спутника MOST. Это позволяет надеяться, что уже в ближайшие несколько месяцев наличие планеты будет окончательно подтверждено, и даже появится возможность измерения ее радиуса, вычисления средней плотности, изучения спектра и состава атмосферы.

А как же прямое обнаружение планеты альфа Центавра B b на снимках? Это, к сожалению, пока совершенно невозможно. Разрешение современных космических и наземных телескопов позволяют обнаруживать лишь очень массивные планеты-гиганты на широких (десятки а.е.) орбитах [6], [7].

Источники:

[1] http://www.eso.org/public/announcements/ann12072/
[2] http://www.aanda.org/index.php?option=com_article&access=bibcode&Itemid=129&bibcode=2001A%2526A...374..675EFUL
[3] http://arxiv.org/abs/0906.4619
[4] http://arxiv.org/abs/1108.3447
[5] http://www.planetary.org/blogs/bruce-betts/20121017-Alpha-Centauri-first-planet-discovery.html
[6] http://arxiv.org/abs/astro-ph/0608510
[7] http://arxiv.org/abs/astro-ph/0612223
[8] http://www.planetary.org/explore/projects/finds/fischer-debra_spronck-julien_cerro-tololo_2012.html