Телескоп Кеплер - исследователь земных миров
11.03.2009 11:11 | Н.Т. Ашимбаева/ГАИШ, Москва

6 марта 2009 года в космос был выведен спутник с телескопом "Кеплер" на борту. Задачи, поставленные перед миссией, уникальны: телескоп будет искать в космосе планеты, похожие на Землю. Это проект Американского аэрокосмического агентства (НАСА) стоимостью в 600 млн. долларов, и рассчитан на три-четыре года.

• >> Телескоп Кеплер - исследователь земных миров   (Н.Т. Ашимбаева/ГАИШ, Москва, 11.03.2009 11:11, 13.0 КБайт, ответов: 4)

  6 марта 2009 года в космос был выведен спутник с телескопом "Кеплер" на борту. Задачи, поставленные перед миссией, уникальны: телескоп будет искать в космосе планеты, похожие на Землю. Это проект Американского аэрокосмического агентства (НАСА) стоимостью в 600 млн. долларов, и рассчитан на три-четыре года. Свое наименование спутник получил в честь великого немецкого ученого Иоганна Кеплера (1571–1630).

  Вековое стремление человечества найти миры, похожие на Землю, резко активизировалось из-за открытия множества экзопланет у других звезд, за последние годы. К настоящему времени уже открыто более трехсот экзопланет трех типов: газовые гиганты, горячие супер-Земли с коротким периодом орбитального вращения и ледяные гиганты. Последнюю информацию о состоянии дел, а также данные о всех характеристиках обнаруженных планет можно найти на ресурсах Extrasolar Planets Encyclopedia, New Worlds Atlas и на русскоязычном сайте Планетные системы. Основная задача миссии заключается в поиске планет земной группы (т. е. с размером от половины до двух радиусов Земли), особенно тех, что находятся в обитаемой зоне своей звезды, где вода может находиться в жидком состоянии, и, в принципе, может существовать жизнь.

  Миссия Кеплер создана специально для обследования близких окрестностей Млечного Пути с целью сотен землеподобных планет и определения у скольких из миллиардов звезд в нашей Галактике имеют такие планеты. Результаты этой миссии позволят понять какое место занимает наша Солнечная система в семействе планетных систем Галактики в целом.

  Научные цели миссии Кеплер

  Космический аппарат Кеплер создавался для изучения всего разнообразия возможных планетных систем. А для этого необходимо провести наблюдения большой выборки звезд. Перед ним ставились следующие задачи:

  • определение доли планет земного типа и планет-гигантов в пределах и вблизи зоны обитания для звезд разных спектральных классов;
  • определение планет по размерам и параметрам орбит;
  • прояснить возможность существования планет у кратных звездных систем;
  • определить диапазон размеров орбит и отражательных способностей планет;
  • получить оценки размеров, масс и плотностей короткопериодичных планет-гигантов;
  • попытаться найти вторые и третьи планеты у звезд с обнаруженными планетными системами;
  • уточнить параметры тех звезд, у которых обнаружены планетные системы.

  Результаты миссии Кеплер будут иметь важнейшее значение для будущих космических проектов НАСА - Space Interferometry Mission (SIM) и Terrestrial Planet Finder (TPF). Анализ общих характеристик звезд, имеющих планеты, обнаруженных Кеплером, создаст хороший задел дальнейших поисков планет.

  
  
  

  Рисунок 1. Изображение Солнца в лучах H-α. Слева показано как выглядит транзит (прохождение) Юпитера по диску Солнца для внешнего наблюдателя, справа - прохождение маленькой Земли . (Рисунки NASA)

  Что собой представляет транзитный метод обнаружения планет?

  Когда планета пересекает диск своей звезды, то такое событие называется транзитом. (Для планет Солнечной системы обычно используется термин "прохождение".) Транзит планет земного типа вызывает очень небольшие изменения в яркости звезды - примерно 0.01% от значения яркости звезды, при этом продолжительность события составляет от 2 до 16 часов. Это изменение блеска, если оно вызвано прохождением именно планеты, должно быть строго периодическим, т.е. повторяться на каждом обороте экзопланеты. Кроме того, все транзиты одной и той же планеты должны вызывать одинаковые изменения яркости и быть одинаковой продолжительности. Только такие условия могут обеспечить надежность обнаружения планеты.

  После того как будет обнаружена планета, можно вычислить размер ее орбиты (зная период обращения, массу звезды и используя третий закон Кеплера). Размер планеты определяется по глубине транзита (по уменьшению блеска звезды при прохождении экзопланеты) и размеру звезды. Зная размеры орбиты и температуру звезды можно оценить температуру планеты. И уже исходя из этого ответить на вопрос о том, может ли быть планета обитаемой.

  
  
  

  Рисунок 2. Показаны ближайшие к Солнцу окрестности нашей Галактики, которые будут изучаться телескопом Кеплер; распределение молодых звездных скоплений, областей ионизированного водорода (HII) и нейтрального водорода(HI) определяют рукава Галактики. Телескоп будет непрерывно направлен в одно место - в районе созвездий Лебедь и Лира. Каждый квадратик показывает область на небе, которую покрывает каждый из 42 CCD-элементов фотометра телескопа. (Изображение NASA)

  Транзиты планет происходят только если плоскость орбиты планеты очень близка к лучу зрения наблюдателя. Вероятность этого равна отношению диаметра звезды к диаметру орбиты. Эта величина составляет всего 0,5% для планеты земного типа обращающейся вокруг звезды типа Солнца. Для близких планет-гигантов ("горячих юпитеров") вероятность уже выше – более 10%.

  Для того, чтобы можно было обнаружить много планет, необходимо пронаблюдать тысячи звезд, даже если землеподобные планеты у них – явление обычное. Если же они встречаются редко, то необходимое число наблюдаемых звезд должно быть существенно увеличено. В программу наблюдений телескопа Кеплер включено около 100 000 звезд, чтобы полученный результат (даже если он окажется нулевым) был бы значимым. Но скорее всего телескоп Кеплер сможет обнаружить сотни планет Земного типа.

  Если мы хотим найти планеты в обитаемой зоне, то промежуток между транзитами должен составлять приблизительно один год (все оценки строятся на примере Земли и Солнца). Для надежности выявления нужно зафиксировать по крайней мере несколько транзитов одной и той же планеты. Таким образом, продолжительность миссии должна быть не менее трех с половиной лет.

  
  
  

  Рисунок 3. Фотометр телескопа Кеплер. (Изображение NASA)

  Инструментом телескопа Кеплер, предназначенным для наблюдения планет является фотометр с 0.95-метровой апертурой (при этом первичное зеркало телескопа имеет диаметр 1.4 метра) и с очень большим полем зрения – 105 квадратных градусов. Большое поле зрения необходимо, чтобы можно было одновременно наблюдать много звезд. Диаметр телескопа должен быть достаточно большим, чтобы уменьшить фоновый шум, чтобы можно измерить небольшие изменения в яркости при транзите планеты земного типа.

  В фокальной плоскости телескопа расположена мозаика, состоящая из 42 CCD-приемников общей площадью в 95 мегапикселей. Для сравнения, самая большая астрономическая матрица, используемая на Земле, содержит 10 мегапикселей. Полоса пропускания приемника составляет 430-890 нм. Предполагается, что будут наблюдаться звезды с 9-й по 16-ю звездную величину. Телескоп будет непрерывно направлен в район созвездий Лебедь и Лира.

  Миссия рассчитана на 3,5 года, но может быть продлена до 6 лет, если для этого возникнет необходимость. Например, если будут получены данные о возможном существовании планет с большими орбитальными периодами. Или из-за большой переменности звезд на коротком интервале окажется сложно выделить сигнал, который подтвердит существование планеты.

  Ожидаемые результаты

  Первые результаты уже можно будет получить через несколько месяцев после запуска, когда телескоп сможет обнаружить планеты-гиганты с очень короткими орбитальными периодами, до нескольких дней.

  В течение первого года наблюдений есть надежда найти планеты с орбитами как у Меркурия и периодами в нескольких месяцев.

  Обнаружение планет земного размера на расстоянии в одну астрономическую единицу от звезды (как Земля) потребует практически полного предполагаемого срока миссии.

  Для других результатов уже потребуются все 3.5-4 года наблюдений. К ним относятся: обнаружение планет типа Меркурий с короткими орбитальными периодами и открытие планет-гигантов по периодическим модуляциям видимой яркости звезды за счет света, отраженного от планеты.

  Наиболее ожидаемыми открытиями являются обнаружение планет земных размеров у солнце-подобных звезд в обитаемой зоне. Хотя, если будет найдено мало таких планет или даже не найдено вовсе, то сам факт их отсутствия также будет имеет большое значение, поскольку это приведет к выводу о том, что планеты земного типа редки, и тогда представления о происхождении Земли должны будут пересмотрены.

  Возможные результаты

  Достоинством миссии является способность телескопа производить мониторинг огромного количества звезд для получения статистически значимой выборки планет с орбитальным периодами от нескольких дней до года и более. Сейчас лишь возможно дать оценку ожидаемых результатов на основе возможных сценариев, поскольку у нас нет информации о частоте и распределении планет земного типа вне Солнечной системы.

  Какие делались предположения:

  • Будут вестись наблюдения около 100 000 звезд главной последовательности.
  • В среднем изменение яркости большинства звезд классов F, G и K главной последовательности по временной шкале во время транзита аналогично тому, которое имеет место у Солнца (после исключения 25% наиболее активных карликовых звезд в спектрального класса FOV).
  • Большинство звезд Главной последовательности, в том числе и двойные, имеют планеты земной группы в пределах или вблизи обитаемой зоны.
  • В среднем планеты размером до двух диаметров Земли или больше, находятся на расстояниях от 0,5 до 1,5 а.е от своей звезды (предположение сделано на основе данных о Солнечной системе).
  • Вероятность транзита планет в пределах или вблизи обитаемой зоны составляет 0.5% на планету.
  • Каждая звезда имеет одну планету-гигант (типа Юпитера) на внешней орбите.
  • В среднем 1% звезд главной последовательности имеют планеты-гиганты на орбитах с периодом меньше 1 недели и сопоставимое число планет на орбитах с периодами от 1 недели до 1 месяца и от 1 месяца до 1 года.
  • Продолжительности миссии "Кеплер" будет составлять четыре года.

  Исходя из этих предпосылок и возможностей миссии, предполагается получить массив данных о планетах с периодами от нескольких дней до нескольких лет, содержащий около 1000 планет земной группы и более 1000 планет-гигантов.

  Если ожидаемое и действительное количество планет совпадет, то миссия Кеплер уже даст статистически значимую выборку объектов, достаточную для определения частоты их распространения, а также распределение планет как для одиночных звезд, так и для кратных звездных систем. Ожидаемые результаты будут настолько разнообразны, что существенно повысят понимание устройства внесолнечных планетарных систем.

• Re: Телескоп Кеплер - исследователь земных миров   (Дмитрий Доценко, 12.03.2009 13:29, 205 Байт) Большое спасибо за статью!
  
  Замечу только, что на Земле используются и очень большие астрономические ПЗС камеры, например Megacam на CFHT - 320 тех самых мегапикселей.
  
  С уважением,
  Дима
  
• В фокальной плоскости телескопа расположена мозаика, состоящая из 42 CCD-приемников общей площадью в 95 мегапикселей.   (Александр Большаков, 12.03.2009 17:12, 254 Байт, ответов: 1) В таком случае, на одну матрицу приходится в среднем 2,2 MPx. А центральные сенсоры упоминавшегося выше Megacam имеют разрешение 2048 на 4612 пикселов - 8 MPx. Непонятно, что с чем сравнивается в статье. И толпа лилипутов победила одного Гулливера.
  
• Стоит ли искать в Лебеде?   (М. Ю. Якимов, 12.03.2009 19:33, 734 Байт) В общем, понятно, почему ищутв Лебеде - нет проблем с непрерывной ориентацией на эту область с орбиты Кеплера и достаточно высокая плотность звезд. Но мне кажется, что интереснее было бы поискать в тех областях Млечного пути, которые пересекаются плоскостью эклиптики: Стрелец-Скорпион, или Телец-Близнецы. Тут есть, конечно, сложности, но, если на какой-то из планет земного типа у звезд в тех районах вдруг есть астрономы, то они, в свою очередь, могут знать о существовании Земли, обнаружив еепрохождение по диску Солнца. Можно было бы попытаться установить контакт, посылая тударадиосигнал высокой направленности- возможно, шанс, что к нему прислушаются, будет выше, чем в тех областях,из которых труднее обнаружить Землю.
• Re: Телескоп Кеплер - исследователь земных миров   (И. В. Дубосар, 22.03.2009 22:36, 269 Байт) Не понятно... Для того, чтобы увидеть прохождение планеты по диску звезды, необходимо, чтобы плоскость орбиты планеты совпадала с лучом зрения, а вероятность этого совпадения чрезвычайно мала... Таким образом, ожидаемые результаты вряд ли достижимы и в течение 5 лет.