25 цикл космического телескопа имени Хаббла (часть 1). Открыта первая экзолуна?

Недавно стали доступны утвержденные программы, по которым знаменитый космический телескоп будет наблюдать в 25 цикле (с 1 октября 2017 года по 30 сентября 2018 года). Прошло уже 8 лет после последнего полета Спейс Шаттлак телескопу, но Хабблпродолжает выполнять уникальные научные наблюдения.

Каждый год работы телескопа на околоземной орбите обходится американскому бюджету примерно в 100 миллионов долларов, а общая стоимость всей программы с 1978 года давно уже превысила 10 миллиардов долларов. Из всех созданных астрономических инструментов за всю историю человечества сравнимой стоимостью обладает только будущий космический телескоп имени Вебба. Тем самым на телескоп Хабблбыло потрачено столько же денег, сколько на огромный 27-км Большой андронный коллайдер.

Среди всех программ 25 цикла выделяется программа с номером 15149. В ней говорится о долгожданном обнаружении вероятного кандидата в первую классическую луну у экзопланеты. Статистическая вероятность данного кандидата в экзолуны достаточно велика, чтобы попытаться подтвердить его на самом крупном оптическом космическом телескопе.

Исследования с целью обнаружения спутников у экзопланет имеют длительную историю. Тут можно вспомнить попыткиназвать экзолунами открытые спутники у коричневых карликов и попыткиприписать различные шумы к экзолунам горячих юпитеров и т.д. Сложность данной задачи хорошо иллюстрируют недавние расчеты, в которых показывается, что транзитЛуныбудет создавать фотометрический сигнал в звездной фотометрии с глубиной всего в 6.6 ppm (частей на миллион). В связи с этим достоверное обнаружение системы Земля-Лунаневозможно даже для будущего космического телескопа Платон (у звезды 12-ой величины фотометрический шум этого телескопа за 6 лет наблюдений будет равен 16 и 29 ppm в случае тихого и шумного сценария звезды солнечного типа).

Факт того, что экзолуныявляются распространенным явлением во Вселеннойполучил ещё Михаил Хипкев 2015 году. Он исходил из того, что экзолуны будут порождать характерный уклон в преддверии (а также после) главного транзита в фотометрии транзитных экзопланет:

В связи с этим Хипкебыла получена усредненная фазовая кривая из 2328 фазовых кривых 4-летней фотометрии  транзитных планет. 2328 фазовых кривых были отобраны из фотометрии 821 подтвержденных (на тот момент – сейчас их число достигло 2335) транзитных экзопланет и 3359 кандидатов в экзопланеты по принципу минимизации инструментального шума в фотометрии. Усредненная фазовая кривая действительно показала наличие подобного уклона для планет с периодами обращения в несколько десятков суток:

Тот факт, что данная особенность не наблюдалась у более короткопериодичных планет, говорит о том, что обнаруженный уклон не связан со сменой фаз самой планеты.







       Глубина обнаруженного уклона составила 6±2ppm, что дало возможность посчитать средний суммарный размер лун у экзопланет звезд солнечного типа (средний радиус звезд в исследуемой выборе составил 1.24 радиусов Солнца) с периодами обращения в несколько десятков суток. Эта величина составила немного больше 4 тысяч км, что сравнимо с Ганимедом– крупнейшей луной в Солнечной Системе. Похожее исследованиенашло средний размер троянцев (в 4 и 5 точке либрации) в 460 км.

 Кроме того Хипкеполучил несколько кандидатовв экзолуны, где обнаруженный уклон является наиболее статистически значимым для отдельных фазовых кривых экзопланет, но их достоверность по причине нахождения у экзопланет с очень небольшими периодами является сомнительной.

М. Хипкев своей работе акцентировал внимание на транзитных планетах с периодами обращения меньше 80 суток по нескольким причинам:

1) У подобных планет наблюдается большое количество транзитов в 4-х летней фотометрии телескопа Кеплер

2) Подобных планет известно значительно больше, чем планет с более длительными периодами обращения (с ростом периода обращения планеты растет зона стабильности для существования экзолун)

3) Другой проект HEKначал поиск экзолун в первую очередь у наиболее долгопериодических планет задолго до исследования Хипке. В настоящее время в транзитной фотометрии Кеплераобнаруженытранзитные планеты с периодами обращения до нескольких тысяч суток.

Проект HEK (Hunt for Exomoons with Kepler)началпоиски экзолун под руководством Дэвида Киппингав 2012 году. В ходе анализа проводился поиск по всем возможным орбитам экзолун для каждой звезды  с долгопериодической транзитной планетой. Анализ фотометрии каждой звезды занимал около 4 лет однопроцессорных вычислений на компьютере (имеющиеся вычислительные возможности проекта позволяли проверять по 100 систем в год). В 2015 году были подведеныитоги поисков для 57 транзитных планет. В опубликованной выборке 2015 года отсутствовали обнаружениясамих экзолун. Вероятность обнаружения системы подобной Плутон-Харон (соотношение масс составляет 1 к 9) в этой выборке была равна 40%, а для системы подобной Земля-Луна (соотношение масс составляло 1 к 81) снижалась до 1/8. В абсолютных величинах чувствительность поисков для отдельных систем достигала 1.7 массы Ганимеда, а вероятность обнаружения экзолуны с массой в 0.3 массы Землисоставляла ¼.

 В работе 2015 года говорилось о наличии у проекта нескольких интересных случаев возможных экзолун, которые требуются более тщательного анализа. На конференции ESS-III (Экстремальные солнечные системы III)в конце 2015 года было сказано о том, что после проверки 400 систем  к следующей конференции ESS (в 2018 году) ожидается найти первые экзолуны.

И вот теперь в свежей наблюдательной программеХабблав 25 цикле говорится об обнаружении проектом HEKкандидата в экзолуну с большой статистической достоверностью >4 сигм в системе Kepler-1625b (K05084.01). В программе уточняется, что экзолуна вызывает небольшие провалы в блеске звезды вблизи трех главных затмений планеты. По всей видимости, данный кандидат был обнаружен сравнительно недавно. Это следует из позднего номера планеты по каталогам Keplerи KOI. Кроме того, из-за попадания планетной системы на поле зрения, вышедшей из строяПЗС-матрицы, в 4-летней фотометрии телескопа удалось зарегистрироватьтолько 3 транзита (при периоде обращения планеты Kepler-1625bв 287 суток):

    Транзит планеты длится около 20 часов при глубине в 0.4%:

   Звезда системы является звездойсолнечного типас яркостью Kp=15.76 (одна из самых тусклых звезд, которые наблюдал телескоп Кеплер). Диаметр планеты похож на наш Сатурн (5-7 радиусов Земли).

ТелескопХабблв 25 цикле проведет наблюдения следующего транзита планеты 29 октября 2017 года с длительностью наблюдений в 26 орбит (39 часов), чтобы попытаться обнаружить и транзит экзолуны.  Учитывая то, что площадь зеркала Хабблапочти в (2.4/0.95)^2=6 раз больше, чем у телескопа Кеплер, то возлагаются надежды, что экзолуна будет зарегистрирована на большом статистическом уровне доверия. Для наблюдений будет использоваться инфракрасная камера WFC3 (Wide Field Camera 3)с целью возможности спектроскопии планеты и её экзолуны по отдельности.

Тем самым наблюдения Хаббла, которые состоятся через 4 месяца, могут подтвердить крупное открытие в астрономии – первое достоверное обнаружение луны за пределами Солнечной Системы.

Изначально ожидалось, что миссия телескопа Кеплеркроме открытия первых экзолун сможет обнаружить и первые аналогиЗемлиу звезд солнечного типа. Недавняя публикацияфинального каталога планетных кандидатов завершила работу по поиску планетных кандидатов в фотометрии 4-летней миссии. Среди 4400 планетных кандидатов у 3400 звезд найдено около 13 кандидатов в районе зон обитаемости звезд солнечного типа с размером близким к радиусу Земли. Ожидается, что лишь половина из этих кандидатов может быть реальными планетами.

Поэтому ещё в 2004 году планировалось использовать космический телескоп Хабблдля проверки этих кандидатов с его более высокой точностью фотометрии. В 25 цикле, наконец, начнутся первые пилотные наблюденияпо этому направлению. Вначале предлагается подтвердить реальность транзита подтвержденной планеты Кеплер-62f за 19 орбит телескопа (29 часов наблюдений). Для этой планеты с периодом обращения в 267 суток до сих пор наблюдалось только 3 транзита (SNR=12). Данные исследования позволят уточнить встречаемость землеподобных планет у солнцеподобных звезд.