Европейская космическая миссия CHEOPS сдерживает свое обещание: наблюдения с помощью нового космического телескопа позволили выявить детали экзопланеты WASP-189b — одной из самых экстремальных из известных ученым планет. Рассказываем, почему миссия «Хеопс» — особенная, как ее тестировали и какие условия на планете, которая смогла удивить ученых.
Миссия CHEOPS
CHEOPS расшифровывается как CHaracterising ExOPlanet Satellite (спутник, характеризирующий экзопланеты) Европейского космического агентства. По сути, «Хеопс» — космический телескоп ЕКА, предназначенный для поиска и изучения экзопланет транзитным методом. Разработан в рамках программы фундаментальных космических исследований Европейского космического агентства Cosmic Vision в качестве миссии S-класса. Это совместная миссия Европейского космического агентства (ESA) и Швейцарии под эгидой Бернского университета в сотрудничестве с Женевским университетом. Консорциум из более чем 100 ученых и инженеров из 11 европейских стран участвовал в создании спутника в течение пяти лет. Центр научных операций CHEOPS расположен в обсерватории Женевского университета.
Экзопланеты были впервые обнаружены в 1995 году двумя швейцарскими астрономами, Мишелем Майором и Дидье Келосом, которые в прошлом году были удостоены Нобелевской премии за это открытие. Метод транзита позволяет обнаруживать и изучать экзопланеты. Телескопы измеряют сияние звезд, чтобы подтвердить присутствие планет вокруг звезды. Дело в том, что при каждом прохождении планеты перед звездой происходит ее затемнение. Циклические изменения в яркости показывают прохождение планеты между Землей и звездой.
У НАСА есть собственный спутник, который создан для обнаружения экзопланет транзитным методом — TESS. Это космический телескоп, предназначенный для открытия экзопланет транзитным методом, разработан Массачусетским технологическим институтом в рамках Малой исследовательской программы НАСА. Запущен в 18 апреля 2018 года. В августе 2020 года TESS успешно завершил свою миссию.
Миссия CHEOPS от ЕКА, в свою очередь, — первая миссия, посвященная изучению ярких близлежащих звезд, которые, как уже известно, содержат экзопланеты, с целью проведения высокоточных наблюдений размеров планеты, когда она проходит перед своей звездой. CHEOPS будет сосредоточен на планетах в диапазоне размеров от суперземли до Нептуна, а его данные позволят определить объемную плотность планет. Это станет первым шагом к пониманию этих инопланетных миров.
Первые показатели миссии
После запуска на орбиту года спутник сразу получил многообещающие наблюдения известных звезд, у которых расположены экзопланеты. Уже в январе CHEOPS сделал первые намеренно размытые изображения звезд. Преднамеренная расфокусировка лежит в основе стратегии наблюдений миссии, которая повышает точность измерений за счет распределения света, исходящего от далеких звезд, на множество пикселей его детектора.
Точность — ключ к сегодняшним исследованиям экзопланет. Известно, что более 4 000 обнаруженных планет вращаются вокруг других звезд, помимо Солнца. Ключевым продолжением исследования этих миров является определение характеристик планет с указанием ограничений на их структуру, формирование и эволюцию.
Миссия «Хеопса» состоит именно в определении характеристик экзопланет посредством точного измерения их размеров. Однако прежде чем объявить о готовности к выполнению этой задачи, небольшой спутник размером 1,5 м должен был пройти большое количество испытаний.
Важные испытания «Хеопса»
С первой серией летных испытаний, проведенных в период с января по февраль, эксперты миссии приступили к анализу реакции спутника, в частности телескопа и детектора, в реальных космических условиях. Начиная с марта, CHEOPS сосредоточился на хорошо изученных звездах.
Чтобы измерить, насколько хорошо работает CHEOPS, нам сначала нужно было наблюдать звезды, свойства которых хорошо известны, звезды с «хорошим поведением» — отобранные вручную, они должны были быть стабильными и без признаков активности.
Кейт Исаак, научный сотрудник проекта Хеопса в ЕКА
Такой подход позволил командам ESA, консорциума миссии и Airbus Spain — генерального подрядчика — убедиться, что спутник является настолько точным и стабильным, насколько это необходимо для достижения его амбициозных целей.
В течение двух недель после запуска на орбиту CHEOPS наблюдал за двумя звездами с экзопланетами, когда они «проходили» перед своей звездой-хозяином и блокировали часть звездного света. Миссия была создана для наблюдения за транзитами известных экзопланет — для измерения размеров планет с беспрецедентной точностью, а также для определения их плотности путем объединения этих результатов с независимыми измерениями их масс.
Одной из целей была HD 93396, субгигантская желтая звезда, расположенная на расстоянии 320 световых лет от нас, немного холоднее и в три раза больше нашего Солнца. В центре внимания наблюдений была KELT-11b, пухлая газовая планета размером примерно на 30% больше, чем Юпитер, на орбите, которая намного ближе к звезде, чем Меркурий к Солнцу.
Кривая блеска этой звезды показывает явный провал, вызванный восьмичасовым прохождением KELT-11b. По этим данным ученые очень точно определили диаметр планеты: 181 600 км — с погрешностью чуть меньше 4 300 км.
Измерения, сделанные CHEOPS, оказались в пять раз точнее, чем измерения с Земли. Вилли Бенц, главный исследователь консорциума миссии и профессор астрофизики в Бернском университете, заявил: «Это дает нам представление о том, чего мы сможем достичь с CHEOPS в ближайшие месяцы и годы».
Первое открытие «Хеопса»
CHEOPS оправдал ожидания ученых уже через несколько месяцев. Недавно наблюдения с помощью этого космического телескопа позволили выявить детали экзопланеты WASP-189b — одной из самых экстремальных известных планет.
Через восемь месяцев после запуска космического телескопа была выпущена первая научная публикация с использованием данных CHEOPS. Используя данные, ученые недавно провели подробное исследование экзопланеты WASP-189b. Результаты исследования приняты для публикации в журнале Astronomy & Astrophysics. «Эти наблюдения демонстрируют, что CHEOPS полностью оправдывает высокие ожидания в отношении своей производительности» — заявил Бенц.
Одна из самых экстремальных планет во Вселенной
WASP-189b, цель наблюдений CHEOPS, представляет собой экзопланету, вращающуюся вокруг звезды HD 133112, одной из самых горячих звезд, у которых вообще есть планетная система. «Система WASP-189 находится на расстоянии 322 световых лет от нас и расположена в созвездии Весы», — объясняет Моника Лендл, ведущий автор исследования из Женевского университета и член Национального центра компетенции в исследованиях PlanetS .
Чем так интересна WASP-189b?
Объект WASP-189b особенно интересен тем, что это газовый гигант, который вращается очень близко к своей родительской звезде. Ему требуется менее трех дней, чтобы облететь свою звезду, и он находится в 20 раз ближе к звезде, чем Земля к Солнцу. Планета более чем в 1,5 раза больше Юпитера, самой большой планеты Солнечной системы.
Планетные объекты, такие как WASP-189b, очень экзотичны. У них есть постоянная дневная сторона, которая всегда освещена светом звезды, и, соответственно, постоянная ночная сторона. Это означает, что климат на такой планете полностью отличается от климата газовых гигантов — Юпитера и Сатурна — в нашей Солнечной системе. Ученые также оценили температуру WASP-189b в 3 200 градусов по Цельсию. Такие планеты называются «сверхгорячими юпитерами». Железо при такой высокой температуре плавится и даже становится газообразным.
«Этот объект — одна из самых экстремальных планет, которые мы знаем», — подчеркивает Лендл.
Проблема в том, что ученые не могут видеть саму планету, поскольку она находится слишком далеко от Земли и слишком близко к своей родительской звезде. В следствие этого астрономам приходится полагаться полагаться на косвенные методы.
Для этого CHEOPS использует высокоточные измерения яркости: когда планета проходит перед своей звездой, то есть совершает транзит, звезда на короткое время кажется слабее. Конечно, если смотреть с Земли.
Поскольку экзопланета WASP-189b находится близко к своей звезде и ее дневная сторона так ярка, что ученые измерили даже «отсутствующий» свет, когда планета проходит за своей звездой — то есть во время затмения. Исследовательская группа наблюдала несколько таких затмений WASP-189b с помощью CHEOPS. Похоже, что планета не отражает много звездного света. Вместо этого большая часть звездного света поглощается планетой, нагревая ее и заставляя сиять.
Тем не менее, ученые считают, что планета не очень светоотражающая, поскольку на ее дневной стороне нет облаков. И это неудивительно — теоретические модели утверждают, что облака не могут образовываться при таких высоких температурах.
Кроме того, ученые обнаружили, что прохождение газового гиганта перед своей звездой асимметрично. Это происходит, когда у звезды наблюдаются более яркие и темные зоны на ее поверхности. Благодаря данным CHEOPS ученые могут сделать вывод, что сама звезда вращается — и так быстро, что ее форма скорее не сферическая, а эллипсоидальная. Звезда вытягивается в экваторе.
Что в итоге?
Звезда, вокруг которой вращается WASP-189b, сильно отличается от Солнца. Она значительно больше и более чем на 2 000 градусов по Цельсию горячее. Из-за того, что она такая горячая, звезда кажется голубой, а не желто-белой, как Солнце.
Известно, что всего несколько планет вращаются вокруг таких горячих звезд, и эта система на сегодняшний день является самой яркой. Как следствие, она является и ориентиром для дальнейших исследований. «Мы ожидаем дальнейших впечатляющих открытий экзопланет благодаря наблюдениям с CHEOPS. Следующие статьи уже находятся в стадии подготовки», — заключает главный исследователь консорциума миссии.