Наблюдения за экзопланетамиЭкзопланеты — это планеты, вращающиеся вокруг звезд, отличных от нашего Солнца, за пределами нашей Солнечной системы. По состоянию на июль 2013 года большинство из 890 экзопланет, о которых сообщалось на данный момент, были обнаружены с помощью методов косвенного наблюдения, например мониторинг звезды-хозяина на предмет изменения лучевой скорости или планетных транзитов (Примечание 1).
Такие методы требуют наблюдений, по крайней мере, в течение одного орбитального периода и непрактичны для обнаружения планет, которые сильно удалены от своих родительских звезд и имеют длинные орбитальные периоды. Напротив, прямое построение изображений может быть наиболее важным способом наблюдения экзопланет, поскольку оно дает информацию о светимости, температуре, атмосфере и орбите планеты. Однако этот метод технически сложен, потому что эти далекие планеты не только тусклые, но и близки к своим ярким центральным звездам, блики которых легко скрывают указание на планету.
Это похоже на попытку увидеть светлячка вокруг дальнего маяка. Было обнаружено всего дюжина планет с расположением, аналогичным по масштабу Солнечной системе.
Несмотря на эти технические проблемы, телескопы класса 8 м с адаптивной оптикой и коронографами, блокирующими свет центральной звезды, достигли высоких характеристик, необходимых для изображения массивных планет на больших орбитальных разносах.Открытие "второго Юпитера"
С 2009 года SEEDS, международный проект, одобренный Национальной астрономической обсерваторией Японии (NAOJ) и возглавляемый Motohide Tamura (Токийский университет и NAOJ), исследует этот новый рубеж в своей пятилетней прямой съемке изображений экзопланет и дисков. около 500 звезд. Команда состоит из более чем 120 членов (две трети из Японии и одной трети из США и Европы) и более 25 институтов.Во время опроса SEEDS группа во главе с членами Токийского технологического института (TiTech), Токийского университета и NAOJ использовала высококонтрастный прибор для адаптивной оптики Subaru Next Generation (HiCIAO) (Примечание 2), установленный на Subaru.
Телескоп обнаружит и сфотографирует планету-кандидат GJ 504 b, которая вращается вокруг похожей на Солнце звезды GJ 504, которая находится в созвездии Девы примерно в 60 световых годах от Земли. Они использовали зрелую звезду-хозяин (160 млн лет) в качестве естественной звезды-проводника для AO 188 (адаптивная оптика с 188 элементами). GJ 504 яркая и видимая невооруженным глазом (~ 5 звездных величин), но планета очень тусклая (17-20 звездных величин в инфракрасном диапазоне).
Поскольку одно прямое изображение не может отличить планеты-кандидаты от звезд фона, которые оказываются в пределах небольшого поля зрения камеры, команда провела семь наблюдений, включая использование IRCS (инфракрасной камеры и спектрографа) с AO 188, чтобы подтвердить, что GJ 504 b вращается вокруг GJ 504 и НЕ является звездой заднего плана.
Какая масса у этой планеты? Масса планеты оценивается по возрасту и светимости.
Однако оценки массы планет страдают из-за неопределенностей моделей охлаждения планет-гигантов. Оценки планетной массы обычно предполагают горячий старт, когда планета изначально находится в горячем и светящемся состоянии.
Однако недавние теоретические модели предполагают, что планеты-гиганты поначалу могли быть намного холоднее. Разница между отношением массы к светимости уменьшается с возрастом экзопланеты и сходится через 100 млн лет для планеты с массой в пять юпитеров.
Независимо от того, какая модель используется для расчета массы этого холодного тусклого объекта, GJ 504 b, центральная звезда GJ 504 достаточно зрелая (160 млн лет), чтобы предсказать массу планетарного, а не коричневого карлика.Основываясь на соотношении наблюдаемой светимости и предполагаемого возраста в сравнении с теоретической моделью, ученые могут сделать вывод, что GJ 504 b имеет массу всего три юпитерианских массы.
Если так, то это самая легкая планета, которую когда-либо видели. Видимое расстояние между центральной звездой и планетой составляет 44 а.е. (астрономическая единица), что больше орбиты Нептуна и сравнимо с орбитой Плутона, и команда пришла к выводу, что они наконец-то получили изображение «второго Юпитера». Это важный шаг к получению прямого изображения гораздо более слабых планет земного типа в будущем.
Остается вопрос: как такая гигантская планета образовалась вокруг звезды, похожей на Солнце? Стандартная модель аккреции ядра, основанная на нашей Солнечной системе, не дает адекватного объяснения образования этих внешних планет, расположенных так далеко от их центральных звезд.
Эта модель утверждает, что ядро достигает критической массы в результате аккреции каменных или ледяных тел (планетезималей) и впоследствии увеличивается с быстрым и прямым накоплением газа из его протопланетного диска. Однако он не объясняет, как развивались планеты за пределами 30 а.е.Возможно, ответом может быть другая модель, такая как гравитационная нестабильность мест образования. Эта модель утверждает, что массивный протопланетный диск становится гравитационно нестабильным во внешних областях.
Следовательно, внешний диск фрагментируется, коллапсируя прямо на одну или несколько планет-гигантов. Однако у гравитационной нестабильности есть свои проблемы. Теория требует, чтобы у звезд, подобных Солнцу, были очень массивные диски, и маловероятно, что они могли бы получить достаточную массу в таких внешних областях.
На данный момент ученые не могут однозначно сказать, что привело к образованию GJ 504 b. Его особенности служат основой для продолжения расследования. Последующие наблюдения показывают, что планета имеет уникальный синий цвет, что указывает на то, что ее атмосфера менее облачна, чем у других планет, изображенных на фотографиях.
Его относительно низкая температура, меньшая облачность и легкая масса помещают его в физически отличную категорию от ранее отображенных планет, которые более горячие и имеют более облачную атмосферу. Дополнительные интересные особенности включают его возраст (самый старый из всех планет, отображаемых напрямую), а также его широкое разделение и орбиту вокруг звезды главной последовательности с массой, подобной Солнцу.Другие плоды проекта SEEDS
В соответствии с целью проекта по использованию телескопа Subaru для прямого изображения молодых объектов планетарной массы и околозвездных структур, расположенных на относительно больших расстояниях от центральных звезд, наблюдатели использовали HiCIAO (Примечания 2 3) с помощью телескопа Subaru для получения прямых изображений двух экзопланет и получения подробных изображений более десяти протопланетных и двух дисков обломков. Наблюдения дали следующие сообщения;
Кандидаты в гигантские планеты в GJ 758 и Каппа Андромеды («Прямое изображение Суперюпитера вокруг массивной звезды»)Детальные структуры дисков в AB Aur и LkCa15 («Прямые изображения дисков раскрывают тайну образования планет»)
HD 169142, SAO 206462 ("Спиральная структура диска может открывать планеты")PDS 70 («Обнаружение гигантского разрыва в диске звезды, похожей на Солнце, может указывать на множественные планеты»)
UX Tau («Зерна пыли указывают путь к формированию планеты»)U Sco J 1604 («Прямое инфракрасное изображение рукава в диске демонстрирует переход к формированию планеты»)HR 4796 A («Острый глаз Субару подтверждает признаки невидимых планет в пылевом кольце HR 4796 A»)HIP 79977
Они также обнаружили интересные тонкие структуры дисков вокруг многих молодых звезд, которые показывают промежутки, спиральные рукава и кольца; эти структуры могут быть «указателями планет». Кроме того, изображение спутника вокруг HAT-P-7 может объяснить ретроградное движение его планеты HAT-P-7 b («Происхождение и поддержание ретроградной экзопланеты»).Обещание будущих исследованийПроект SEEDS завершил более трех четвертей из отведенных ему 120 ночей наблюдений.
В конечном итоге будет наблюдаться около 500 звезд, и статистические результаты по частоте внешних планет дадут ключ к разгадке образования планет. Ученые могут ответить на такие вопросы, как: «Насколько много внешних планет?»; «Где и как они образовались?»; "Как выглядит их атмосфера?"
Команда обнаружила множество разрывов и структур спиральных рукавов в дисках на том же радиальном расстоянии, что и внешние планеты. Планеты внутри дисков могут объяснить формирование этих структур и позволить ученым выдвинуть гипотезу о том, что внешние планеты сформировались или близки к своему рождению. По крайней мере, результаты SEEDS демонстрируют, что пришло время пересмотреть текущую теорию формирования планет и включить в нее данные о внешних планетах и структурах дисков.
SEEDS также будет исследовать внутренние области около центральной звезды с помощью очень продвинутой адаптивной оптической системы, называемой Subaru Telescope Coronagraphic Extreme Adaptive Optics (SCExAO, Примечание 4), которая скоро станет доступной. Наблюдения с помощью этой технологии обещают способствовать лучшему пониманию экзопланетных систем.Поскольку наблюдения с помощью SEEDS включают данные как об очень молодых, так и относительно старых звездах, эти данные используются и будут использоваться для изучения связей между планетами и дисками, а также эволюции протопланетных систем и дисков обломков. Набор данных SEEDS станет доминирующим источником информации в этой важной области исследований на многие годы вперед.
Примечания:Косвенные наблюдения обнаруживают экзопланеты по изменению скорости центральной звезды (метод лучевых скоростей) или ослаблению звездного света при прохождении планеты (метод транзита). Напротив, прямые наблюдения создают прямое изображение экзопланеты, а не косвенно делают вывод о ее присутствии.HiCIAO — это аббревиатура от High Contrast Instrument для адаптивной оптики Subaru Next Generation, которая имеет различные режимы дифференциальной визуализации (длины волн, поляризации).
Эта технологически адаптируемая система заменила Coronographic Imager на Adaptive Optics (CIAO) в 2007 году и использовалась с AO 188 для проекта SEEDS с октября 2009 года. Ученые используют ее для непосредственного наблюдения за экзопланетами и околозвездными дисками.
Поскольку яркий свет центральной звезды может препятствовать обнаружению планет, инструмент использует коронограф для подавления яркого света центральной звезды.Адаптивная оптика (AO) — это метод получения изображения с высоким разрешением путем коррекции атмосферных искажений во время наблюдения. Он измеряет атмосферные искажения, а затем компенсирует и корректирует волновую плоскость с помощью деформируемого зеркала в реальном времени.
SCExAO будет использовать гораздо больше исполнительных механизмов, чем нынешняя система АО, для получения изображений звезд, которые почти сопоставимы с изображениями, полученными в космосе. Он также будет использовать новую коронографическую технику для получения более высокого контраста примерно на два порядка.