Искаженное пространство-время поможет WFIRST найти экзопланеты

Изучение свойств экзопланетных миров поможет понять, на что похожи планетные системы по всей галактике, как формируются и развиваются планеты.

Объединение результатов WFIRST с результатами миссий Kepler и TESS завершит первую перепись планет и приблизит нас к открытию пригодных для жизни миров за пределами нашего.

На сегодняшний день астрономы обнаружили большинство планет во время транзита, когда они проходят перед звездой-хозяйкой, временно перекрывая свет звезды. Данные WFIRST также могут определять транзиты, но миссия будет в первую очередь следить за противоположным эффектом - небольшими скачками излучения, вызванными микролинзированием. Эти события встречаются гораздо реже, чем транзитные, потому что основаны на случайном выравнивании двух широко разнесенных и не связанных между собой звезд, дрейфующих в пространстве.

«Сигналы микролинзирования с малых планет редкие и краткие, но они сильнее сигналов других методов», - сказал Дэвид Беннетт, руководитель группы гравитационного микролинзирования в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА. «Поскольку это событие одно на миллион, ключом в поиске WFIRST планет малой массы – поиск среди сотен миллионов звезд».

Метод микролинзирования сможет лучше обнаружить планеты внутри и за пределами обитаемой зоны - орбитального расстояния, на котором на планетах может быть жидкая вода на поверхности.

Этот эффект возникает, когда свет проходит вблизи массивного объекта. Все, что связано с массой, деформирует ткань пространства-времени, создавая что-то вроде вмятины, как шар для боулинга на батуте. Свет движется по прямой линии, но если пространство-время изогнуто - что происходит рядом с чем-то массивным, - свет искривляется.

Каждый раз, когда две звезды выровнены с нашей точкой наблюдения, свет от более отдаленных изгибов звезды проходит по искривленному пространству-времени ближайшей звезды. Это явление, одно из предсказаний общей теории относительности Эйнштейна, было подтверждено британским физиком Артуром Эддингтоном во время полного солнечного затмения в 1919 году. Если выравнивание особенно близко, ближайшая звезда действует как естественная космическая линза, фокусируясь и усиливая свет от фоновой звезды.

Планеты, вращающиеся вокруг звезды переднего плана, также могут изменять свет, выступая в роли их собственных крошечных линз. Искажение, которое они создают, позволяет астрономам измерить массу планеты и расстояние от ее главной звезды. Именно так WFIRST будет использовать микролинзирование для открытия новых миров.

 «Попытка интерпретировать популяцию планет сегодня - это все равно, что пытаться интерпретировать наполовину скрытую картину», - сказал Мэтью Пенни, доцент кафедры физики и астрономии в Университете штата Луизиана в Батон-Руж, который руководил исследованием, чтобы предсказать возможности микролинзовой съемки WFIRST. «Чтобы полностью понять, как формируются планетные системы, нам нужно найти планеты всех масс на всех расстояниях. Ни один метод не может сделать это, но исследование микролинзирования WFIRST, в сочетании с результатами Kepler и TESS, покажет гораздо большую часть картины».

До настоящего времени было обнаружено более 4000 подтвержденных экзопланет, но только 86 были обнаружены с помощью микролинзирования. Методы, обычно используемые для нахождения других миров, смещены в сторону планет, которые сильно отличаются от тех, которые существуют в Солнечной системе. Например, метод транзита лучше всего подходит для поиска планет, подобных Нептуну, у которых орбиты намного меньше, чем у Меркурия. Для солнечной системы, подобной нашей, метод транзита может пропустить любую планету.

Микролинзовое исследование WFIRST поможет найти аналоги для каждой планеты в нашей Солнечной системе, кроме Меркурия, чья малая орбита и малая масса выводят его за границы миссии. WFIRST найдет планеты, масса которых около Земли и даже меньше, возможно, даже большие луны, такие как Ганимед.

WFIRST найдет планеты и в других малоизученных категориях. Микролинзирование лучше всего подходит для нахождения миров в обитаемой зоне их звезды и дальше. Это включает в себя ледяных гигантов, таких как Уран и Нептун в нашей системе, и даже планеты-изгои - миры, свободно бродящие по галактике, не связанные ни с какими звездами.

Хотя ледяные гиганты составляют меньшинство в нашей системе, исследование 2016 года показало, что они могут быть самым распространенным видом планет во всей галактике. WFIRST проверит эту теорию и поможет лучше понять, какие характеристики планет наиболее распространены.

WFIRST исследует районы галактики, которые еще не были систематически исследованы в поисках экзопланет из-за различных целей предыдущих миссий. Kepler, например, обыскивал скромную область размером около 100 квадратных градусов с 100 000 звезд на расстояниях около 1000 световых лет. TESS сканирует все небо и отслеживает 200 000 звезд на расстоянии около 100 световых лет. WFIRST будет искать примерно на 3 квадратных градусах, но будет иследовать за 200 миллионов звезд на расстоянии около 10 000 световых лет.

Поскольку WFIRST - это инфракрасный телескоп, он будет видеть сквозь облака пыли, которые мешают другим телескопам изучать планеты в переполненном центральном районе нашей галактики. Большинство наземных наблюдений микролинзирования до настоящего времени проводились в видимом свете, что делало центр галактики в значительной степени неизведанной территорией. Обследование с помощью микролинзирования, проводимое с 2015 года с использованием инфракрасного телескопа Соединенного Королевства (UKIRT) на Гавайях, облегчает процесс переписи экзопланет WFIRST путем составления карты региона.

Обзор UKIRT обеспечивает первые измерения скорости событий микролинзирования к ядру галактики, где звезды наиболее плотно сконцентрированы. Результаты помогут астрономам выбрать окончательную стратегию наблюдения для целей микролинзирования WFIRST.

Последняя цель команды UKIRT - обнаружение событий микролинзирования с использованием машинного обучения, что будет жизненно важно для WFIRST. Миссия будет производить такое огромное количество данных, что прочесывать их исключительно на глаз будет непрактично. Упорядочение поиска потребует автоматизированных процессов.

Дополнительные результаты UKIRT указывают на стратегию наблюдения, которая позволит выявить наибольшее количество возможных событий микролинзирования, избегая при этом самые толстые пылевые облака, которые могут блокировать даже инфракрасный свет.

«Наше текущее исследование с UKIRT закладывает основу, чтобы WFIRST мог провести первое космическое специализированное исследование с помощью микролинзирования», - сказала Саванна Джеклин, астроном из Университета Вандербильта, которая провела несколько исследований UKIRT. «Предыдущие миссии экзопланет расширили наши знания о планетных системах, и WFIRST приблизит нас на гигантский шаг к истинному пониманию того, как планеты - особенно те, которые находятся в обитаемых зонах звезд - формируются и развиваются».

Тот же обзор микролинзирования, который выявит тысячи планет, также обнаружит сотни других странных и интересных космических объектов. Ученые смогут изучать свободно плавающие тела с массами от Марса до 100 раз больше Солнца.

Нижний предел диапазона масс включает в себя планеты, которые были выброшены от своих звезд и теперь бродят по галактике как планеты-изгои. Далее идут коричневые карлики, которые слишком массивны, чтобы их можно было охарактеризовать как планеты, но недостаточно массивны, чтобы воспламеняться как звезды. Коричневые карлики не сияют так заметно, как звезды, но WFIRST сможет изучить их в инфракрасном свете через тепло, оставшееся от их образования.

Объекты на более высокой границе включают звездные трупы - нейтронные звезды и черные дыры. Изучение и измерение их массы поможет ученым понять больше о смертельных муках звезд при проведении переписи чёрных дыр звездной массы.

«Исследование с помощью микролинзирования WFIRST не только улучшит наше понимание планетных систем, - сказал Пенни, - оно также позволит провести целый ряд других исследований изменчивости 200 миллионов звезд, структуры и формирование внутреннего Млечного пути и населения, состоящего из черных дыр и других темных, компактных объектов, которые трудно или невозможно изучить каким-либо другим способом».

Финансирование программы WFIRST продлится до сентября 2020 года. Бюджетная заявка на FY2021 предлагает прекратить финансирование миссии WFIRST и сосредоточиться на завершении космического телескопа Джеймса Уэбба, который планируется запустить в марте 2021 года. Администрация не готова продолжить работу с другим телескопом стоимостью несколько миллиардов долларов, пока Уэбба не будет успешно запущен и развернут.