Понедельник, 06.07.2020
Космическая погода на текущий час
Вход в систему не произведен
 Войти /  Регистрация

Секция Совета РАН по космосу

< За доминирование левовращающих аминокислот в земных организмах, возможно, отвечает круговая поляризация
27.04.2013 00:08 Давность: 7 yrs
Категория: Экзопланеты
Количество просмотров: 1966

Три суперземли в обитаемой зоне: системы Kepler-62 и Kepler-69



Неделю назад средства массовой информации, освещающие новости науки, обошла долгожданная новость. Команда Кеплера объявила об открытии трех суперземель, находящихся в обитаемой зоне своих звезд. И хотя ни одна из этих планет в точности не повторяет Землю, их открытие явилось важным шагом к обнаружению настоящих двойников Земли.


Владислава Ананьева

Поиск аналогов нашей планеты у солнцеподобных звезд – захватывающе интересная, но и очень трудная задача. Сестер Земли нельзя увидеть ни в один, даже самый крупный, современный телескоп – крошечная планета, светящая отраженным светом, будет тонуть в звездных лучах. Их нельзя обнаружить методом измерения лучевых скоростей родительских звезд – наша планета наводит на Солнце лучевую скорость ~9 см/сек, притом, что лучшие наземные спектрографы обеспечивают точность лишь в 0.5-0.8 м/сек. Их транзит нельзя увидеть с Земли – ослабление блеска звезды на 0.084% замоется влиянием земной атмосферы. Для того, чтобы обнаружить «вторую Землю», необходимо вывести телескоп в космос, оснастить его точнейшей фотометрической аппаратурой и годами наблюдать за одними и теми же звездами, ожидая редкого события – транзита планеты по звездному диску. Но и в этом случае из-за низкой геометрической вероятности транзитной конфигурации только один из двухсот (в среднем) аналогов Земли пройдет на фоне своей звезды и получит шанс быть обнаруженным земными астрономами.

В марте 2009 года был запущен американский космический телескоп им. Кеплера с амбициозной целью – найти аналоги Земли у звезд аналогов Солнца. К настоящему моменту Кеплером обнаружено 2740 транзитных кандидатов, планетная природа 122 из них подтверждена независимыми методами. Большинство транзитных кандидатов имеют радиусы от 1 до 4 радиусов Земли, расположены близко к своим звездам и нагреты до высоких температур. Однако по мере увеличения времени наблюдения Кеплер стал находить все более и более долгопериодические кандидаты, чей температурный режим начал соответствовать сначала температурному режиму Меркурия, потом – Венеры, и, наконец, Земли и даже Марса.

Первая суперземля, находящаяся в обитаемой зоне своей звезды (Kepler-22 b), была анонсирована в декабре 2011 года. Планета радиусом ~2.3 радиуса Земли вращалась по 290-суточной орбите вокруг солнцеподобной звезды спектрального класса G5 V, ее эффективную температуру оценили в 262К. Измерить массу Kepler-22 b методом измерения лучевых скоростей родительской звезды не удалось, был получен только верхний предел в 36 масс Земли. После многочисленных транзитных горячих юпитеров и нептунов эта планета действительно казалась землеподобной – хотя, скорее всего, она является или океанидой без единого клочка суши, или даже мини-нептуном с мощной водородно-гелиевой атмосферой.

В течение 2012 года вниманию мирового сообщества было представлено несколько многопланетных систем, включающих в себя небольшие, предположительно, каменные планеты, чей температурный режим приближался к температурному режиму Венеры (Kepler-49 e, Kepler-52 d, Kepler-54 d и др.)
И наконец, на пресс-конференции, прошедшей 18 апреля 2012 года, было объявлено об открытии сразу трех суперземель, находящихся в обитаемой зоне своих звезд. Ими оказались планеты Kepler-69 c, Kepler-62 e и Kepler-62 f. 
Расскажем о них поподробнее. 

Kepler-69 (KOI-172) – солнцеподобная звезда спектрального класса G4 V, удаленная от нас примерно на 830 пк. Ее масса оценивается в 0.81 +0.09/-0.08 солнечных масс, радиус – в 0.93 +0.18/-0.12 солнечных радиусов, светимость близка к 0.8 солнечных. 

Кривая блеска этой звезды демонстрирует два транзитных сигнала с периодами 13.7223 и 242.46 земных суток и глубиной, соответствующей планетам радиусом ~2.24 и ~1.71 радиусов Земли. Внутренняя планета Kepler-69 b – явный мини-нептун, нагретый до ~780К, подобные планеты Кеплер обнаруживает десятками. Зато внешняя планета Kepler-69 c не зря привлекла внимание ученых.

Солнечная система и система Kepler-69, показанные в одном масштабе. Суперземля Kepler-69 c примерно в 1.7 раза превышает по своим размерам Землю. Ее температурный режим близок к температурному режиму Венеры.

Что нам известно об этой суперземле? Ее радиус равен 1.71 +0.34/-0.23 радиуса Земли. Она вращается вокруг своей звезды по слабоэллиптичной орбите с большой полуосью 0.64 +0.15/-0.11 а.е и эксцентриситетом 0.14 +0.18/-0.10. Как мы видим, погрешности в определении всех величин, характеризующих Kepler-69 c, все еще очень велики. Точность определения ее температурного режима также оставляет желать лучшего. При радиусе эффективной земной орбиты, близком к 0.9 а.е., величина a/Rэф (где a – большая полуось орбиты планеты), попадает в диапазон 0.52-0.8, то есть температурный режим этой планеты грубо соответствует температурному режиму Венеры. 

Авторы открытия попробовали оценить зависимость эффективной температуры Kepler-69 c от ее альбедо. 

Зависимость эффективной температуры планеты Kepler-69 c от ее альбедо (показана сплошной синей линией, пунктирными линиями показан диапазон погрешностей). Для сравнения приведены данные для Венеры, Земли и Марса.

Как мы видим, при высоком альбедо (~0.6-0.7) эффективная температура планеты может быть близкой к эффективной температуре Земли. Однако плотная протяженная атмосфера (практически неизбежная при радиусе 1.7 земных) все-таки больше роднит Kepler-69 c не с Землей, а с Венерой. Почти наверняка атмосфера этой суперземли содержит большое количество водяного пара, приводящего к сильному парниковому эффекту, что резко уменьшает шансы Kepler-69 c даже на потенциальную обитаемость. Поскольку ее массу (а значит, и среднюю плотность) пока определить не удалось, Kepler-69 c может оказаться как планетой земного типа, так и океанидой, и даже мини-нептуном с протяженной водородной атмосферой (если ее физические размеры окажутся ближе к верхней границе диапазона, даваемого погрешностями измерений). 

Еще две суперземли в обитаемой зоне были обнаружены у звезды Kepler-62 (KOI-701) – оранжевого карлика спектрального класса K2 V. Эта звезда дает приют замечательной пятипланетной системе, включающей в себя три планеты радиусами 1.31, 0.54(!) и 1.95 радиусов Земли на тесных орбитах, нагретые до 750 ± 41, 578 ± 31 и 510 ± 28К (т.е. все три – горячее Меркурия), а также две суперземли Kepler-62 e и Kepler-62 f, о которых дальше и пойдет речь.

Kepler-62 – зрелая звезда главной последовательности немного меньше и прохладнее Солнца. Ее масса оценивается в 0.69 ± 0.02 солнечных масс, радиус – в 0.64 ± 0.02 солнечных радиусов, светимость близка к 0.21 ± 0.2 солнечных. Звезда отличается пониженным содержанием тяжелых элементов – их в 2.3 раза меньше, чем в составе нашего дневного светила. Возраст Kepler-62 оценивается в 7 ± 4 млрд. лет.

Солнечная система и система Kepler-62, показанные в одном масштабе.

Четвертая планета этой системы имеет радиус 1.61 ± 0.05 земных и орбитальный период 122.4 земных суток. В отличие от Kepler-69 c, она вращается довольно близко к эффективной земной орбите – большая полуось орбиты Kepler-62 e составляет 0.427 ± 0.004 а.е. (a/Rэф ~ 0.93). Ее эффективная температура оценивается авторами открытия в 270 ± 15К! Однако соображения, применимые к Kepler-69 c, в полной мере относятся и к Kepler-62 e: протяженная плотная атмосфера, богатая водяным паром, наверняка создает сильный парниковый эффект и приводит к высокой температуре поверхности.

В этом смысле более перспективной выглядит пятая планета этой же системы – Kepler-62 f. Формально ее температурный режим близок к температурному режиму Марса. Радиус планеты f составляет 1.41 ± 0.07 радиусов Земли, орбитальный период – 267.29 земных суток. Эффективная температура планеты оценивается в 208 ± 11К. Однако компьютерное моделирование показало, что для существования на поверхности планеты жидкой воды достаточно атмосферы из углекислого газа с парциальным давлением от 1.6 до 5 атмосфер (в зависимости от альбедо планеты).

В случае преимущественно водного состава масса планеты Kepler-62 e составляет 2-4 массы Земли, а масса планеты Kepler-62 f – 1.1-2.6 масс Земли (первая цифра соответствует составу 75% воды и 25% силикатов, вторая – 15% воды и 85% силикатов). Глубина глобального океана на обеих планетах оценивается в 80-150 км, ниже вода переходит в форму льда VI. Кроме углекислого газа в атмосфере может присутствовать водяной пар, азот и кислород (последний – при наличии жизни), а также следы метана и инертных газов. 

Планеты Солнечной системы, а также (сверху вниз) систем Kepler-22, Kepler-69 и Kepler-62 на плоскости "Поток энергии, получаемый от звезды - Светимость родительской звезды". Сплошными и пунктирными черными линиями показаны границы обитаемой зоны (согласно двум разным моделям).

Возможно ли измерить массы планет в системе Kepler-62 и определить таким образом их среднюю плотность и химический состав? 

Измерение лучевых скоростей звезды Kepler-62 было проведено на обсерватории им. Кека с помощью спектрографа HIRES. Также была предпринята попытка измерить массы планет этой системы методом тайминга транзитов. Однако оба метода не дали результатов: астрономы смогли получить только верхние пределы на массы всех пяти планет. Эти верхние пределы равны, соответственно (от внутренней планеты к внешней) 9, 4, 14, 36 и 35 масс Земли. Реальные массы планет могут быть на порядок ниже.

К счастью, звезда Kepler-62 включена в список целей высокоточного спектрографа Северный HARPS. Имея долговременную точность измерения лучевой скорости в 0.5 м/сек и рабочую точность 0.2 м/сек, этот спектрограф сможет оценить массу четырех из пяти планет этой системы (или, как минимум, получить существенные ограничения на их состав).

Возможности Северного HARPS`а по измерению массы планет системы Kepler-62. Фиолетовыми, желтыми и голубыми точками показаны амплитуды лучевой скорости, наводимой каждой из планет на свою звезду в случае, если планета состоит из железа, силикатов или воды. Крестиками показаны верхние пределы на лучевые скорости, полученные с помощью спектрографа HIRES. Горизонтальными пунктирными линиями показаны скорости 0.2 и 0.5 м/сек – рабочая и долговременная точность измерения лучевой скорости Северным HARPS`ом. Диаграмма любезно предоставлена Виктором Ясинским.

Комментарии

Комментарии

Вход в систему

Введите имя пользователя и пароль для входа в систему:
Вход в систему

Забыли пароль?

Барицентр

(от греч. barys тяжелый и центр) Центр масс физического тела сложной формы, а также двух или большего количества тел... [далее]

Rambler's Top100