Обнаружена суперземля Ross 508b в обитаемой зоной красного карлика

Исследования экзопланет, которые в последние годы значительно продвинулись с момента открытия гигантской планеты вокруг звезды, похожей на нашу, теперь сосредоточены на красных карликах, масса которых меньше массы Солнца. Красные карлики, составляющие три четверти звезд галактики и существуют в большом количестве в окрестностях Солнечной системы, являются отличными целями для поиска экзопланет по соседству. Открытие близлежащих экзопланет с подробными наблюдениями за их атмосферами и поверхностными слоями позволит обсудить наличие или отсутствие жизни в средах, которые сильно отличаются от условий Солнечной системы.

Красные карлики очень тусклые в видимом свете из-за низкой температуры их поверхности — менее 4000 градусов. Предыдущие поиски планет с использованием спектрометров видимого света обнаружили только несколько планет вокруг очень близких красных карликов, таких как Проксима Центавра b. В частности, у красных карликов с температурой поверхности ниже 3000 градусов (красные карлики позднего типа) систематически не находились планеты. Транзитный метод, обнаруживающий изменения звездной яркости при прохождении планеты перед звездой, не требует такого количества фотонов, как спектроскопический доплеровский метод, поэтому поиск планет вокруг красных карликов с использованием транзитного метода в последние годы прогрессировал. Поиск транзитных планет с помощью TESS (спутник для исследования транзитных экзопланет) может обнаруживать планеты земной группы вокруг относительно тяжелых красных карликов (красных карликов раннего типа).

Красные карлики являются важными объектами для изучения жизни во Вселенной, но их трудно наблюдать, потому что они слишком слабы в видимом свете. Чтобы решить трудности, связанные со спектроскопическими наблюдениями красных карликов, давно ожидался поиск планет с использованием высокоточного спектрографа в инфракрасном диапазоне, где красные карлики относительно ярки. Например, яркость Солнца, видимого с расстояния 30 световых лет, составляет 5 величин в видимом свете и 3 величины в инфракрасном свете. С другой стороны, самые легкие красные карлики поздних типов очень тусклые в видимом свете с величиной 19, но относительно ярки в инфракрасном диапазоне с величиной 11.

Центр астробиологии в Японии успешно разработал IRD (инфракрасный доплеровский прибор), первый в мире высокоточный инфракрасный спектрограф для телескопов 8-метрового класса. IRD, установленный на телескопе Subaru, может обнаруживать мельчайшие колебания скорости звезды, примерно со скоростью идущего человека.

Метод транзита может обнаруживать только планеты, орбиты которых проходят вдоль луча зрения, тогда как метод Доплера может обнаруживать планеты независимо от их ориентации относительно небесной плоскости. Также это важный метод, поскольку он может определить «массу» планеты.

Стратегическая программа IRD Subaru (IRD-SSP) по поиску планет вокруг красных карликов позднего типа началась в 2019 году. Это первый систематический поиск планет вокруг красных карликов позднего типа и международный проект, в котором участвуют около 100 отечественных и зарубежных исследователей. В течение первых двух лет проводились экранирующие наблюдения для поиска «стабильных» красных карликов с низким уровнем шума, на которых можно обнаружить даже небольшие планеты. Красные карлики обладают высокой поверхностной активностью (вспышки), и эта поверхностная активность может вызывать изменения скорости луча зрения звезды, даже если планет нет. Поэтому только стабильные красные карлики с низкой поверхностной активностью являются целями при поиске малых планет земного типа.

В настоящее время проект находится в стадии интенсивного наблюдения около 50 многообещающих красных карликов поздних типов, которые были тщательно отобраны в ходе скрининга.

Первая экзопланета, обнаруженная IRD-SSP, расположена примерно в 37 световых годах от Земли, вокруг красного карлика Ross 508, масса которого составляет пятую часть массы Солнца. Это первая экзопланета, обнаруженная в результате систематического поиска с использованием инфракрасного спектрометра.

Чтобы подтвердить, что периодическое колебание Ross 508 действительно связано с планетой, группа IRD-SSP определила несколько индикаторов звездной активности, которые могут давать ложноположительные результаты в отношении планеты (например, изменения звездной яркости и формы некоторых линий эмиссий) и показали, что период этих индикаторов отчетливо отличается от наблюдаемого планетарного периода. Это более сложная задача, чем использование метода Доплера для подтверждения планетных кандидатов, о которых сообщалось ранее методом транзита, но это важный метод для обнаружения нетранзитных планет.

Планета Ross 508b массой всего в 4 раза больше массы Земли. Среднее расстояние от центральной звезды составляет 0,05 расстояния от Земли до Солнца, и она расположена на внутреннем краю обитаемой зоны. Интересно, что планета, скорее всего, будет иметь эллиптическую орбиту, и в этом случае перейдет в обитаемую зону с периодом обращения около 11 дней.

Планеты в обитаемой зоне могут удерживать воду на поверхности и могут содержать жизнь. Ross 508b станет важной целью для будущих наблюдений, чтобы проверить возможность обитаемости на планетах вокруг красных карликов. Спектроскопические наблюдения молекул и атомов в атмосфере планеты также важны, в то время как современные телескопы не могут напрямую отображать планету из-за ее близости к центральной звезде. В будущем она станет одной из целей поиска жизни телескопами 30-метрового класса.

До сих пор было известно только три планеты, вращающиеся вокруг таких звезд с очень малой массой, включая Проксиму Центавра b. Ожидается, что IRD-SSP продолжит открывать новые планеты.

«Ross 508b — это первое успешное обнаружение суперземли с использованием только спектроскопии в ближнем инфракрасном диапазоне. До этого при обнаружении маломассивных планет, таких как суперземли, наблюдения в ближнем инфракрасном диапазоне сами по себе были недостаточно точными, и проверка путем высокоточного измерения лучевой скорости в видимом свете. Это исследование показывает, что только IRD-SSP способен обнаруживать планеты, и ясно демонстрирует преимущество IRD-SSP в его способности искать с высокой точностью даже для красных карликов поздних типов, которые слишком слабы, чтобы их можно было наблюдать в видимом свете», — говорит доктор Хироки Харакава (телескоп NAOJ Subaru), ведущий автор статьи об открытии.

«Прошло 14 лет с начала разработки IRD. Мы продолжили разработки и исследования с надеждой найти планету, точно такую же, как Ross 508b. Это открытие стало возможным благодаря высокой инструментальной производительности IRD, большой апертуре телескопа Subaru и стратегической структуре наблюдений, которая позволила интенсивно и часто собирать данные. Мы стремимся делать новые открытия», рассказал профессор Бунэй Сато (Токийский технологический институт), главный исследователь IRD-SSP.