Перспективные программы по исследованию экзопланет. Часть 2
Philip Horzempa (геолог-планетолог)
Статья опубликована 15 октября 2012 г. в The Space Review.
Перевод engineer_aireo
Часть 1 смотрите здесь.
«Евклид» и WFIRST
Есть ещё две миссии по поиску темной энергии, с помощью которых могут быть получены данные о распространенности экзопланет. Первая из них - это «Евклид». Миссия одобрена и профинансирована, запуск к 2020 году. «Евклид» представляет собой телескоп с диаметром зеркала в 1 метр, который будет получать изображения далеких галактик с целью обнаружения влияния темной энергии. Второй целью миссии будет несколько наблюдений эффекта микролинзирования от экзопланет - это будет первой миссией использующей такой подход. Эффект микролинзирования состоит в том, что, когда планета проходит перед наблюдаемой удаленной звездой, свет от звезды искривляется гравитационным полем планеты, как и предсказывает общая теория относительности Эйнштейна. Изгиб лучей света звезды делает её временно чуть ярче, как будто перед ней провели некой виртуальной линзой. Малая масса планет делает это изменение яркости едва заметным, но всё же этот небольшой эффект можно заметить и измерить. Космический телескоп будет всматриваться в один участок нашего Млечного пути в течении долгих недель и месяцев, чтобы зарегистрировать подобные быстрые и случайные события. Важным преимуществом обнаружения планет посредством микролинзирования является то, что с помощью него можно обнаружить все типы экзопланет на любом расстоянии от родительской звезды. Такая миссия как «Евклид» будут способна дать ценные статистические результаты о строении других солнечных систем.
Космический аппарат "Евклид"
Возможности аппаратов "Евклид" и WFIRST по обнаружению экзопланет
Вдобавок, кроме использования эффекта микролинзирования для поиска экзопланет, «Евклид» будет способен обнаруживать их и при помощи транзитного метода, как и «Кеплер». «Евклид» будет вести наблюдения в ближнем ИК-диапазоне, таким образом он оптимизирован для наблюдения холодных карликовых звезд М-класса. Однако такие звезды в поле наблюдения «Евклида» скучены и слабо излучают свет, делая обнаружение экзопланет транзитным методом сложнее, чем с помощью «Кеплера». Но всё же его наблюдения расширят наши данные о распространенности экзопланет.
Космический аппарат WFIRST
WFIRST
«Широкоформатный инфракрасный обзорный телескоп» (WFIRST) - это вариант НАСА миссии гравитационного микролинзирования. До последнего времени он томился почти без финансирования из-за черезмерных расходов на «Вебба», однако недавние новости говорят, что этот проект может выйти из состояния неопределенности. В начале этого года Национальное управление военно-космической разведки США подарило НАСА пару подарков: два больших зеркала, отполированных и допущенных для использования в космосе! Очевидно, это «заготовки» для какого-то отмененного проекта разведывательного спутника. В течение нескольких последних месяцев НАСА рассматривает заявки на использование этих зеркал. Одним из главных кандидатов может быть проект WFIRST. В добавок, WFIRST может включать в себя встроенный коронограф для блокировки света звезды, чтобы получше изучить её окрестности. Это, заодно, позволит измерить плотность пылевых облаков в других солнечных системах. Такие наблюдения будут ценными для предстоящих миссий получения прямого изображения экзопланеты, таких как New Worlds. Однако, этот телескоп будет запущен не ранее чем через несколько лет после «Вебба» и Звездной тени, летающей в составе группы. Так как миссия-предшественник должна быть запущена раньше основной мисси, то сообщество учёных изучающих экзопланеты ищет другие, более быстрые методы получения этих данных.
(Примечание переводчика: В настоящий момент (апрель 2014) миссия WFIRST находится в стадии предварительной разработки. 4 марта 2014 выделены ограниченные средства на 2015 год для развития проекта, с целью запуска в середине 2020-х годов, если в будущем будет начато полноценное финансирование. Планируется перевод отдельной статьи про WFIRST.)
Космический аппарат TESS
Малые миссии
Есть много малых экзопланетных миссии находящихся в разработке. Среди этих кандидатов «Обзорный спутник по транзитному поиску экзопланет» (TESS) имеет лучшие шансы для одобрения, так как это уже второе рассмотрение его заявки. TESS будет дополнять «Кеплер» в поиске экзопланет транзитным методом, так как он будет осматривать всё небо, в отличии от узкого поля зрения «Кеплера». Как и «Кеплер» он будет собирать статистику по строению других солнечных систем в нашей галактике. TESS не будет использовать высокоточный фотометр как «Кеплер», но вместо этого у него будет девять камер. Это решение результат низкой стоимости миссии, однако он будет в состоянии наблюдать два миллиона самых ярких звезд в небе, включая и многие ближайшие к нам звезды. Область поиска «Кеплера» узка, но он может смотреть вдаль, в то время как TESS будет смотреть широко, но не далеко. TESS спроектирован для поиска землеподобных планет у соседних звезд. Итак, если нам повезет и матушка-Природа соизволит показать нам не слишком далекий аналог Земли, пролетающий перед своей звездой, то «Священный Грааль» исследователей экзопланет будет скоро обретен. Однако, скорее всего наклонение орбиты такой землеподобной планеты вряд ли так удачно, и, скорее всего, мы сможем её обнаружить лишь с помощью миссий New Worlds или NEAT.
(Примечание переводчика: на данный момент (апрель 2014 г.) TESS получил финансирование и планируется к запуску в 2017 году.)
Один из вариантов космического аппарата PLATO
ЕКА предлагает миссию «Планетарный транзит и колебание звезды» (PLATO), которая так же может наблюдать небо с помощью нескольких камер. Однако, этот аппарат будет оснащен такими же высокоточными фотометрами как и «Кеплер». PLATO не прошел недавний отбор миссии М-класса в ЕКА, но он первый кандидат для следующего конкурса в этом десятилетии.
(Примечание переводчика: 19 февраля 2014 миссия PLATO одобрена и планируется к запуску в 2024 ракетой-носителем «Союз». Аппарат будет работать в точке L2 и будет включать 34 отдельных небольших телескопов и камер. )
Космический аппарат EXCEDE
Другая малая миссия «Исследователь экзопланет, диска и околозвездного пространства» (EXCEDE) преследует цель измерения света отраженного от облаков мельчайшей пыли в других солнечных системах. В нашей Солнечной системе это явление известно как зодиакальный свет, а в других, соответственно, экзозодиакальный свет. Его интенсивность является критическим параметром для успешного получения прямого изображения экзопланеты, так как экзозодиакальный свет, как волны тумана, может поглащать и рассеивать свет отраженный от экзопланеты. Будем надеяться что EXCEDE будет профинансирован и запущен и он сможет установить действительную плотность пыли в других солнечных системах ещё до конца этого десятилетия. Однако, принимая во внимание общее сокращение финансирования, скорее может быть готов более дешевый, но и более простой вариант миссии EXCEDE. Zodiac-II - это размещенный на аэростате телескоп, который сможет измерить экзозодиакальный свет у ограниченного количества звезд. Zodiac-II много более дешевый вариант чем космический аппарат, такой как EXCEDE. Результаты измерений помогут миссии New Worlds сосредоточиться на наиболее многообещающих других планетных системах.
(Примечание переводчика: На данный момент (апрель 2014) последняя новость о 0,5 метровом телескопе EXCEDE датируется сентябрем 2011 г, когда НАСА решило начать развитие технологий для этой миссии. )
Другой базирующийся на аэростате телескоп «Обнуляющий экзопланетный интерферометр на большом аэростате» (BigBENI). Этот проект будет представлять собой пару метровых телескопов летающих на большой высоте. Цель проекта - проверка концепции нулевой интерферометрии. Этот метод состоит в том, что свет от двух телескопов комбинируется таким образом, что световые волны от звезды оказываются в противофазе и блокируются, или, можно сказать, обнуляются. Когда свет звезды блокирован, может быть обнаружен много более слабый отраженный от планет свет. Эта идея была предложена много лет назад, но никогда ещё не проверялась в космосе. BigBENI - это недорогой, с малыми рисками, путь проверить концепцию.
Текущий проект, который использует данные от не специализированной на экзопланетах миссии (как это будет с «Евклидом») - это «STEREO обозреватель звезд и экзопланет» (STRESS). Два аппарата «Обсерватория взаимодействия Земли и Солнца» (STEREO) были запущены на солнечную орбиту в 2006 году, с целью наблюдать Солнце. Как побочный продукт наблюдений, зонды так же выдают широкоугольное изображение звездного неба. Около миллиона звезд находятся в поле зрения. Эти изображения могут использоваться для отслеживания падений нормальных яркостей звезд, что может указывать на транзит экзопланет. Эти данные не такие точные как у «Кеплера», однако всё же достаточны для обнаружения планет размером с Юпитер или Сатурн.
Есть ещё несколько хорошо известных миссий, которые могут внести свой вклад в поиск экзопланет. Первая из них - это «Совместный первооткрыватель измерения углов в миллисекунды» (JMAPS) флота США. К сожалению, она недавно отменена в связи с сокращением бюджета Министерства обороны США. Эта миссия должна была уточнить карту звездного неба, составленную аппаратом Hipparcos 20 лет назад. Главной целью миссии было помочь Военно-морской обсерватории США составить точную карту звездного неба для нужд национальной обороны. Побочным результатом миссии было бы астрометрические измерения близлежащих звезд, что позволило бы обнаружить экзопланеты класса Юпитера. Это бы дополнило данные Gaia, так как ближайшие яркие звезды будут насыщать CCD-матрицы Gaia и точные астрометрические измерения будут невозможны.
Однако, не смотря на то, что миссия JMAPS отменена, её наследство живо. Астрометрическая камера, оставшаяся от этой миссии, может использоваться для Звездной тени New Worlds для точного её позиционирования относительно «Вебба», чтобы Звездная тень точно закрывала нужную звезду. Эта камера, однако, должна быть усовершенствована для новой задачи, и есть ещё одна программа «Эксперимент на МКС по оптической интеграции и испытаниям» (OPTIIX), где она пришлась бы кстати. Камера JMAPS стала для команды OPTIIX хорошей заменой их собственным усилиям по улучшению технологии их камеры до приемлемого уровня. Прогресс в такой области может быть небольшим и трудным, а может быть и неожиданным и мощным, такой как подобная межведомственная кооперация. OPTIIX - это смелый проект, который планирует сборку разобранного телескопа, используя МКС как испытательную платформу. Его цель - демонстрация того, что большая оптическая система может быть дешево и с небольшими рисками собрана в космосе роботами. Детали должны прибыть на МКС в 2015 году, если будет достаточное финансирование. Если проект OPTIIX покажет что создание больших телескопов с составным зеркалом возможно в короткие сроки, то это сделает будущие экзопланетные миссии более вероятными. Большое зеркало будет необходимо для лучшей спектроскопии и лучших снимков экзопланет.
Кроме привычных игроков в поиске экзопланет, есть ещё признаки интереса к этому вопросу и со стороны других стран. Японское космическое агентство имеет текущую программу по запуску астрометрических спутников. «Японская спутниковая миссия инфракрасной астрометрии» (JASMINE) будет начата с запуска малого-JASMINE в 2014 году. Это будет миссия с возможностями подобными JMAPS, но только работающая в инфракрасном диапазоне. Это позволить наблюдать звезды в утолщении галактического диска. Как астрометрический телескоп, JASMINE будет способен различать планеты класса Юпитера у близлежащих к нам звезд и, как и отмененный JMAPS, он сможет дополнять Gaia в наблюдении ярких звезд. Малый-JASMINE будет первенец Японии на этом поприще, а за ним последует и полноценный JASMINE - аппарат с большими возможностями, который так же будет работать в ИК-диапазоне.
(Примечание переводчика: На данный момент (апрель 2014 г.) Запуск аппарата нано-JASMINE весом 35 кг с зеркалом диаметром 5 см планируется на конец 2014 года; малый-JASMINE весом 400 кг с зеркалом в 60 см планируется на 2018-2020 гг.; полноценный JASMINE весом 1500 кг с зеркалом в 80 см планируется на 2020-е годы. Подробнее см. сайт миссии. )
Возможности китайской космической программы растут с каждым годом и сейчас видны признаки интереса и к запуску экзопланетных миссий. Китай уже инвестировал в несколько значительных наземных телескопов, организовал конференцию по экзопланетам и скоро запустит первую космическую рентгеновскую обсерваторию. Вдобавок, в их планах есть солнечно-полярная миссия на 2019 год. Она будет включать гравитационный маневр у Юпитера для изменения наклонения орбиты. В направлении исследования экзопланет Китай объявил о планах построить «Спутниковый астрометрический телескоп» (SAT). Не много известно о его конструкции, но, похоже, он будет способен искать экзопланеты. Возможно используя интерферометр. В России Роскосмос обрисовал, в общих чертах, космические проекты на следующее десятилетие. Финансирование российской космической программы неустойчивое, поэтому сложно различить действительное будущее в этих планах. Однако проект «Осирис» («Астрометрия») всё ещё числится в планах. Это амбициозный проект, учитывая их достижения последних лет, но «Осирис» обещает включать высокоточный интерферометр для астрометрии, напоминая миссию «Космический интерферометр» (SIM) НАСА. Сейчас запуск запланирован на 2018 год, однако это может быть слишком оптимистично, учитывая текущий хаос в российской программе изучения дальнего космоса.
(Примечание переводчика: На данный момент (апрель 2014 г.) по российскому проекту ОЗИРИС в Интернете не удалось найти ничего, кроме официального сайта и монографии 2005 г. Собственно, по официальному сайту видно текущее состояние проекта.)
Комплексный подход
Итак, сейчас мы имеем в работе две главных миссии - Gaia и Звездная тень New Worlds - и несколько небольших, но всё же значительных, миссий НАСА и ЕКА. Есть предложение о совместных действиях между Звездной тенью New Worlds и астрометрической миссией NEAT. Какой бы из этих аппаратов не полетел первый, он может открыть аналог Земли, но это будет требовать подтверждения. New Worlds и NEAT могут обеспечивать проверку друг друга. Некогда НАСА планировала довольно здравую экзопланетную программу называвшуюся «Навигатор». Она включала две миссии огромного значения, таких как SIM и «Искатель землеподобных планет» (TPF), которые бы могли отлично искать и проверять кандидаты в экзопланеты. Однако, эта программа была полностью отменена. В нынешнем хаосе мы видим две миссии от двух космических агентств, которые преследуют те же цели что и программа «Навигатор» - New Worlds и NEAT.
Представим сценарий, как будто бы миссия New Worlds обнаружила землеподобную экзопланету, но на пороге своей чувствительности из-за помехи экзозодиакального света. В этом случае эта солнечная система, которую нашел New Worlds, будет проверена миссией NEAT, которая по колебаниям звезды сможет подтвердить существование экзопланеты. Так как астрометрическая миссия фактически свободна от вмешательства экзозодиакального света, NEAT может по самостоятельным наблюдениям звезды точно измерить массу и орбиту экзопланеты. Можно представить и обратный сценарий открытия. Когда NEAT найдет кандидата на новую «Землю», миссия звездная тень New Worlds может осмотреть эту экзопланетную систему, подтвердить открытие и провести спектроскопию. Кроме того, миссия обнаружения экзопланет транзитным методом, такая как TESS, имеет незначительный шанс принять за «Землю» собственный шум звезды. Одно из открытий «Кеплера» было наблюдение, что множество солнцеподобных звезд имеют, в отличии от Солнца, довольно большие колебания яркости. В таком случае New Worlds или NEAT будут призваны для проверки. В этом и есть ценность разностороннего подхода к проблеме.
Кажется, что команда по поиску экзопланет собирается с двух сторон Атлантики. Начав с Gaia и продолжив NEAT, Европа развивает астрометрию для предстоящих усилий по поиску экзопланет. На другой стороне океана НАСА сейчас концентрируется на получении прямого изображения экзопланеты. Как НАСА начало это новое направление будет полезно посмотреть на примере предшествующей миссии - SIM. Я уже описывал эту сагу в предыдущей статье в The Space Review в 2010 году. Однако есть ещё несколько «новых» деталей в этой истории. Судьба SIM служит предупреждением для команд, работающих сейчас над будущими экзопланетными миссиями.
От переводчика. Окончание статьи, которое находится здесь я решил не переводить полностью. Эта часть представляет много меньший интерес, чем уже опубликованные две.
Если вкратце, то там говорится о судьбе миссии SIM сначала всеми одобренной, и на разработку которой потратили 600 миллионов долларов, но потом ограниченной в финансировании в пользу программы возобновления полетов Шаттла, а после и вовсе по-тихому прикрытой. Далее говорится о необходимости создать специализированного подразделения по экзопланетам. Что сейчас исследования экзопланет входят в подразделение НАСА по астрофизике, бюджет которого всего 1 миилиард долларов в год, из которого на экзопланеты выделяют всего около 40 миллионов долларов, что составляет лишь 1% от финансирования науки в НАСА или 0,25% от всего бюджета НАСА. Далее говорится о возможной межпланетной миссии в 2020-х годах с использованием технологии «солнечного паруса». Представляет интерес следующий отрывок:
Когда мы рассматриваем экзопланетные миссии, то мы всегда должны помнить об огромных трудностях обнаружения экзопланет, не говоря уж о путешествиях до них. Если представить нашу Солнечную систему сжатой так, что расстояние от Солнца до Земли будет 30 см, то тогда Альфа Центавра, ближайшая звездная система на расстоянии 4,4 световых лет от нас, будет на расстоянии более чем 85 километров от нас. Первый межзвездный зонд должен преследовать реалистичную цель, как первую веху в межзвездных путешествиях. На расстоянии в 500-600 астрономических единиц лежит воображаемая сфера, находясь на которой можно наблюдать, как Солнце, в соответствии с общей теорией относительности Эйнштейна, своим гравитационным полем искажает пространство и увеличивает свет от внешних источников. Тот же принцип проявляется и при микролинзировании. В этом случае, гравитационное поле Солнца действует как линза, которая может обеспечить поразительную степень увеличения. Теоретически, если телескоп будет на расстоянии в 550 а.е., он может обеспечить получение изображения ближайших экзопланет с мельчайшими деталями. К примеру, на расстоянии до Альфы Центавра разрешение может достигать почти невообразимой величины в один метр! Кроме того, космический аппарат может продолжить путешествие дальше - гравитационная линза начинается на расстоянии в 550 а.е. и продолжает действовать и дальше.
Схема миссии FOCAL по наблюдению экзопланеты через солнечную гравитационную линзу.
Однако есть несколько препятствий для получения таких изображений. Первое, телескоп должен перемещаться в районе линии фокусировки, то есть проводить «сканирование» чтобы собрать изображение. Это может потребовать использовать целый рой микро-зондов, которые будут собирать изображение из отдельных «пикселей». Второе, наблюдаемая планета должна быть точно за Солнцем. Мы должны знать, какой из близлежащих миров мог бы быть лучшей целью, потому что только одна цель может быть наблюдаема за всю миссию, так как траектория полета миссии должна лежать точно на линии, проходящей через экзопланету и Солнце. NEAT или New Worlds могут определить такую цель. Если предсказания теории о высокой степени увеличения с помощью Солнца верны, то первый межзвездный зонд для такой миссии может нести только небольшой телескоп. Если будет доказано, что это возможно, то последующие миссии могут получать более полные изображения удаленных экзопланет.
От переводчика. Завершается статья общими соображениями о важности исследования экзопланет и надеждами на увеличение финансирования.
Статья опубликована 15 октября 2012 г. в The Space Review.
Перевод engineer_aireo
Часть 1 смотрите здесь.
«Евклид» и WFIRST
Есть ещё две миссии по поиску темной энергии, с помощью которых могут быть получены данные о распространенности экзопланет. Первая из них - это «Евклид». Миссия одобрена и профинансирована, запуск к 2020 году. «Евклид» представляет собой телескоп с диаметром зеркала в 1 метр, который будет получать изображения далеких галактик с целью обнаружения влияния темной энергии. Второй целью миссии будет несколько наблюдений эффекта микролинзирования от экзопланет - это будет первой миссией использующей такой подход. Эффект микролинзирования состоит в том, что, когда планета проходит перед наблюдаемой удаленной звездой, свет от звезды искривляется гравитационным полем планеты, как и предсказывает общая теория относительности Эйнштейна. Изгиб лучей света звезды делает её временно чуть ярче, как будто перед ней провели некой виртуальной линзой. Малая масса планет делает это изменение яркости едва заметным, но всё же этот небольшой эффект можно заметить и измерить. Космический телескоп будет всматриваться в один участок нашего Млечного пути в течении долгих недель и месяцев, чтобы зарегистрировать подобные быстрые и случайные события. Важным преимуществом обнаружения планет посредством микролинзирования является то, что с помощью него можно обнаружить все типы экзопланет на любом расстоянии от родительской звезды. Такая миссия как «Евклид» будут способна дать ценные статистические результаты о строении других солнечных систем.
Космический аппарат "Евклид"
Возможности аппаратов "Евклид" и WFIRST по обнаружению экзопланет
Вдобавок, кроме использования эффекта микролинзирования для поиска экзопланет, «Евклид» будет способен обнаруживать их и при помощи транзитного метода, как и «Кеплер». «Евклид» будет вести наблюдения в ближнем ИК-диапазоне, таким образом он оптимизирован для наблюдения холодных карликовых звезд М-класса. Однако такие звезды в поле наблюдения «Евклида» скучены и слабо излучают свет, делая обнаружение экзопланет транзитным методом сложнее, чем с помощью «Кеплера». Но всё же его наблюдения расширят наши данные о распространенности экзопланет.
Космический аппарат WFIRST
WFIRST
«Широкоформатный инфракрасный обзорный телескоп» (WFIRST) - это вариант НАСА миссии гравитационного микролинзирования. До последнего времени он томился почти без финансирования из-за черезмерных расходов на «Вебба», однако недавние новости говорят, что этот проект может выйти из состояния неопределенности. В начале этого года Национальное управление военно-космической разведки США подарило НАСА пару подарков: два больших зеркала, отполированных и допущенных для использования в космосе! Очевидно, это «заготовки» для какого-то отмененного проекта разведывательного спутника. В течение нескольких последних месяцев НАСА рассматривает заявки на использование этих зеркал. Одним из главных кандидатов может быть проект WFIRST. В добавок, WFIRST может включать в себя встроенный коронограф для блокировки света звезды, чтобы получше изучить её окрестности. Это, заодно, позволит измерить плотность пылевых облаков в других солнечных системах. Такие наблюдения будут ценными для предстоящих миссий получения прямого изображения экзопланеты, таких как New Worlds. Однако, этот телескоп будет запущен не ранее чем через несколько лет после «Вебба» и Звездной тени, летающей в составе группы. Так как миссия-предшественник должна быть запущена раньше основной мисси, то сообщество учёных изучающих экзопланеты ищет другие, более быстрые методы получения этих данных.
(Примечание переводчика: В настоящий момент (апрель 2014) миссия WFIRST находится в стадии предварительной разработки. 4 марта 2014 выделены ограниченные средства на 2015 год для развития проекта, с целью запуска в середине 2020-х годов, если в будущем будет начато полноценное финансирование. Планируется перевод отдельной статьи про WFIRST.)
Космический аппарат TESS
Малые миссии
Есть много малых экзопланетных миссии находящихся в разработке. Среди этих кандидатов «Обзорный спутник по транзитному поиску экзопланет» (TESS) имеет лучшие шансы для одобрения, так как это уже второе рассмотрение его заявки. TESS будет дополнять «Кеплер» в поиске экзопланет транзитным методом, так как он будет осматривать всё небо, в отличии от узкого поля зрения «Кеплера». Как и «Кеплер» он будет собирать статистику по строению других солнечных систем в нашей галактике. TESS не будет использовать высокоточный фотометр как «Кеплер», но вместо этого у него будет девять камер. Это решение результат низкой стоимости миссии, однако он будет в состоянии наблюдать два миллиона самых ярких звезд в небе, включая и многие ближайшие к нам звезды. Область поиска «Кеплера» узка, но он может смотреть вдаль, в то время как TESS будет смотреть широко, но не далеко. TESS спроектирован для поиска землеподобных планет у соседних звезд. Итак, если нам повезет и матушка-Природа соизволит показать нам не слишком далекий аналог Земли, пролетающий перед своей звездой, то «Священный Грааль» исследователей экзопланет будет скоро обретен. Однако, скорее всего наклонение орбиты такой землеподобной планеты вряд ли так удачно, и, скорее всего, мы сможем её обнаружить лишь с помощью миссий New Worlds или NEAT.
(Примечание переводчика: на данный момент (апрель 2014 г.) TESS получил финансирование и планируется к запуску в 2017 году.)
Один из вариантов космического аппарата PLATO
ЕКА предлагает миссию «Планетарный транзит и колебание звезды» (PLATO), которая так же может наблюдать небо с помощью нескольких камер. Однако, этот аппарат будет оснащен такими же высокоточными фотометрами как и «Кеплер». PLATO не прошел недавний отбор миссии М-класса в ЕКА, но он первый кандидат для следующего конкурса в этом десятилетии.
(Примечание переводчика: 19 февраля 2014 миссия PLATO одобрена и планируется к запуску в 2024 ракетой-носителем «Союз». Аппарат будет работать в точке L2 и будет включать 34 отдельных небольших телескопов и камер. )
Космический аппарат EXCEDE
Другая малая миссия «Исследователь экзопланет, диска и околозвездного пространства» (EXCEDE) преследует цель измерения света отраженного от облаков мельчайшей пыли в других солнечных системах. В нашей Солнечной системе это явление известно как зодиакальный свет, а в других, соответственно, экзозодиакальный свет. Его интенсивность является критическим параметром для успешного получения прямого изображения экзопланеты, так как экзозодиакальный свет, как волны тумана, может поглащать и рассеивать свет отраженный от экзопланеты. Будем надеяться что EXCEDE будет профинансирован и запущен и он сможет установить действительную плотность пыли в других солнечных системах ещё до конца этого десятилетия. Однако, принимая во внимание общее сокращение финансирования, скорее может быть готов более дешевый, но и более простой вариант миссии EXCEDE. Zodiac-II - это размещенный на аэростате телескоп, который сможет измерить экзозодиакальный свет у ограниченного количества звезд. Zodiac-II много более дешевый вариант чем космический аппарат, такой как EXCEDE. Результаты измерений помогут миссии New Worlds сосредоточиться на наиболее многообещающих других планетных системах.
(Примечание переводчика: На данный момент (апрель 2014) последняя новость о 0,5 метровом телескопе EXCEDE датируется сентябрем 2011 г, когда НАСА решило начать развитие технологий для этой миссии. )
Другой базирующийся на аэростате телескоп «Обнуляющий экзопланетный интерферометр на большом аэростате» (BigBENI). Этот проект будет представлять собой пару метровых телескопов летающих на большой высоте. Цель проекта - проверка концепции нулевой интерферометрии. Этот метод состоит в том, что свет от двух телескопов комбинируется таким образом, что световые волны от звезды оказываются в противофазе и блокируются, или, можно сказать, обнуляются. Когда свет звезды блокирован, может быть обнаружен много более слабый отраженный от планет свет. Эта идея была предложена много лет назад, но никогда ещё не проверялась в космосе. BigBENI - это недорогой, с малыми рисками, путь проверить концепцию.
Текущий проект, который использует данные от не специализированной на экзопланетах миссии (как это будет с «Евклидом») - это «STEREO обозреватель звезд и экзопланет» (STRESS). Два аппарата «Обсерватория взаимодействия Земли и Солнца» (STEREO) были запущены на солнечную орбиту в 2006 году, с целью наблюдать Солнце. Как побочный продукт наблюдений, зонды так же выдают широкоугольное изображение звездного неба. Около миллиона звезд находятся в поле зрения. Эти изображения могут использоваться для отслеживания падений нормальных яркостей звезд, что может указывать на транзит экзопланет. Эти данные не такие точные как у «Кеплера», однако всё же достаточны для обнаружения планет размером с Юпитер или Сатурн.
Есть ещё несколько хорошо известных миссий, которые могут внести свой вклад в поиск экзопланет. Первая из них - это «Совместный первооткрыватель измерения углов в миллисекунды» (JMAPS) флота США. К сожалению, она недавно отменена в связи с сокращением бюджета Министерства обороны США. Эта миссия должна была уточнить карту звездного неба, составленную аппаратом Hipparcos 20 лет назад. Главной целью миссии было помочь Военно-морской обсерватории США составить точную карту звездного неба для нужд национальной обороны. Побочным результатом миссии было бы астрометрические измерения близлежащих звезд, что позволило бы обнаружить экзопланеты класса Юпитера. Это бы дополнило данные Gaia, так как ближайшие яркие звезды будут насыщать CCD-матрицы Gaia и точные астрометрические измерения будут невозможны.
Однако, не смотря на то, что миссия JMAPS отменена, её наследство живо. Астрометрическая камера, оставшаяся от этой миссии, может использоваться для Звездной тени New Worlds для точного её позиционирования относительно «Вебба», чтобы Звездная тень точно закрывала нужную звезду. Эта камера, однако, должна быть усовершенствована для новой задачи, и есть ещё одна программа «Эксперимент на МКС по оптической интеграции и испытаниям» (OPTIIX), где она пришлась бы кстати. Камера JMAPS стала для команды OPTIIX хорошей заменой их собственным усилиям по улучшению технологии их камеры до приемлемого уровня. Прогресс в такой области может быть небольшим и трудным, а может быть и неожиданным и мощным, такой как подобная межведомственная кооперация. OPTIIX - это смелый проект, который планирует сборку разобранного телескопа, используя МКС как испытательную платформу. Его цель - демонстрация того, что большая оптическая система может быть дешево и с небольшими рисками собрана в космосе роботами. Детали должны прибыть на МКС в 2015 году, если будет достаточное финансирование. Если проект OPTIIX покажет что создание больших телескопов с составным зеркалом возможно в короткие сроки, то это сделает будущие экзопланетные миссии более вероятными. Большое зеркало будет необходимо для лучшей спектроскопии и лучших снимков экзопланет.
Кроме привычных игроков в поиске экзопланет, есть ещё признаки интереса к этому вопросу и со стороны других стран. Японское космическое агентство имеет текущую программу по запуску астрометрических спутников. «Японская спутниковая миссия инфракрасной астрометрии» (JASMINE) будет начата с запуска малого-JASMINE в 2014 году. Это будет миссия с возможностями подобными JMAPS, но только работающая в инфракрасном диапазоне. Это позволить наблюдать звезды в утолщении галактического диска. Как астрометрический телескоп, JASMINE будет способен различать планеты класса Юпитера у близлежащих к нам звезд и, как и отмененный JMAPS, он сможет дополнять Gaia в наблюдении ярких звезд. Малый-JASMINE будет первенец Японии на этом поприще, а за ним последует и полноценный JASMINE - аппарат с большими возможностями, который так же будет работать в ИК-диапазоне.
(Примечание переводчика: На данный момент (апрель 2014 г.) Запуск аппарата нано-JASMINE весом 35 кг с зеркалом диаметром 5 см планируется на конец 2014 года; малый-JASMINE весом 400 кг с зеркалом в 60 см планируется на 2018-2020 гг.; полноценный JASMINE весом 1500 кг с зеркалом в 80 см планируется на 2020-е годы. Подробнее см. сайт миссии. )
Возможности китайской космической программы растут с каждым годом и сейчас видны признаки интереса и к запуску экзопланетных миссий. Китай уже инвестировал в несколько значительных наземных телескопов, организовал конференцию по экзопланетам и скоро запустит первую космическую рентгеновскую обсерваторию. Вдобавок, в их планах есть солнечно-полярная миссия на 2019 год. Она будет включать гравитационный маневр у Юпитера для изменения наклонения орбиты. В направлении исследования экзопланет Китай объявил о планах построить «Спутниковый астрометрический телескоп» (SAT). Не много известно о его конструкции, но, похоже, он будет способен искать экзопланеты. Возможно используя интерферометр. В России Роскосмос обрисовал, в общих чертах, космические проекты на следующее десятилетие. Финансирование российской космической программы неустойчивое, поэтому сложно различить действительное будущее в этих планах. Однако проект «Осирис» («Астрометрия») всё ещё числится в планах. Это амбициозный проект, учитывая их достижения последних лет, но «Осирис» обещает включать высокоточный интерферометр для астрометрии, напоминая миссию «Космический интерферометр» (SIM) НАСА. Сейчас запуск запланирован на 2018 год, однако это может быть слишком оптимистично, учитывая текущий хаос в российской программе изучения дальнего космоса.
(Примечание переводчика: На данный момент (апрель 2014 г.) по российскому проекту ОЗИРИС в Интернете не удалось найти ничего, кроме официального сайта и монографии 2005 г. Собственно, по официальному сайту видно текущее состояние проекта.)
Комплексный подход
Итак, сейчас мы имеем в работе две главных миссии - Gaia и Звездная тень New Worlds - и несколько небольших, но всё же значительных, миссий НАСА и ЕКА. Есть предложение о совместных действиях между Звездной тенью New Worlds и астрометрической миссией NEAT. Какой бы из этих аппаратов не полетел первый, он может открыть аналог Земли, но это будет требовать подтверждения. New Worlds и NEAT могут обеспечивать проверку друг друга. Некогда НАСА планировала довольно здравую экзопланетную программу называвшуюся «Навигатор». Она включала две миссии огромного значения, таких как SIM и «Искатель землеподобных планет» (TPF), которые бы могли отлично искать и проверять кандидаты в экзопланеты. Однако, эта программа была полностью отменена. В нынешнем хаосе мы видим две миссии от двух космических агентств, которые преследуют те же цели что и программа «Навигатор» - New Worlds и NEAT.
Представим сценарий, как будто бы миссия New Worlds обнаружила землеподобную экзопланету, но на пороге своей чувствительности из-за помехи экзозодиакального света. В этом случае эта солнечная система, которую нашел New Worlds, будет проверена миссией NEAT, которая по колебаниям звезды сможет подтвердить существование экзопланеты. Так как астрометрическая миссия фактически свободна от вмешательства экзозодиакального света, NEAT может по самостоятельным наблюдениям звезды точно измерить массу и орбиту экзопланеты. Можно представить и обратный сценарий открытия. Когда NEAT найдет кандидата на новую «Землю», миссия звездная тень New Worlds может осмотреть эту экзопланетную систему, подтвердить открытие и провести спектроскопию. Кроме того, миссия обнаружения экзопланет транзитным методом, такая как TESS, имеет незначительный шанс принять за «Землю» собственный шум звезды. Одно из открытий «Кеплера» было наблюдение, что множество солнцеподобных звезд имеют, в отличии от Солнца, довольно большие колебания яркости. В таком случае New Worlds или NEAT будут призваны для проверки. В этом и есть ценность разностороннего подхода к проблеме.
Кажется, что команда по поиску экзопланет собирается с двух сторон Атлантики. Начав с Gaia и продолжив NEAT, Европа развивает астрометрию для предстоящих усилий по поиску экзопланет. На другой стороне океана НАСА сейчас концентрируется на получении прямого изображения экзопланеты. Как НАСА начало это новое направление будет полезно посмотреть на примере предшествующей миссии - SIM. Я уже описывал эту сагу в предыдущей статье в The Space Review в 2010 году. Однако есть ещё несколько «новых» деталей в этой истории. Судьба SIM служит предупреждением для команд, работающих сейчас над будущими экзопланетными миссиями.
От переводчика. Окончание статьи, которое находится здесь я решил не переводить полностью. Эта часть представляет много меньший интерес, чем уже опубликованные две.
Если вкратце, то там говорится о судьбе миссии SIM сначала всеми одобренной, и на разработку которой потратили 600 миллионов долларов, но потом ограниченной в финансировании в пользу программы возобновления полетов Шаттла, а после и вовсе по-тихому прикрытой. Далее говорится о необходимости создать специализированного подразделения по экзопланетам. Что сейчас исследования экзопланет входят в подразделение НАСА по астрофизике, бюджет которого всего 1 миилиард долларов в год, из которого на экзопланеты выделяют всего около 40 миллионов долларов, что составляет лишь 1% от финансирования науки в НАСА или 0,25% от всего бюджета НАСА. Далее говорится о возможной межпланетной миссии в 2020-х годах с использованием технологии «солнечного паруса». Представляет интерес следующий отрывок:
Когда мы рассматриваем экзопланетные миссии, то мы всегда должны помнить об огромных трудностях обнаружения экзопланет, не говоря уж о путешествиях до них. Если представить нашу Солнечную систему сжатой так, что расстояние от Солнца до Земли будет 30 см, то тогда Альфа Центавра, ближайшая звездная система на расстоянии 4,4 световых лет от нас, будет на расстоянии более чем 85 километров от нас. Первый межзвездный зонд должен преследовать реалистичную цель, как первую веху в межзвездных путешествиях. На расстоянии в 500-600 астрономических единиц лежит воображаемая сфера, находясь на которой можно наблюдать, как Солнце, в соответствии с общей теорией относительности Эйнштейна, своим гравитационным полем искажает пространство и увеличивает свет от внешних источников. Тот же принцип проявляется и при микролинзировании. В этом случае, гравитационное поле Солнца действует как линза, которая может обеспечить поразительную степень увеличения. Теоретически, если телескоп будет на расстоянии в 550 а.е., он может обеспечить получение изображения ближайших экзопланет с мельчайшими деталями. К примеру, на расстоянии до Альфы Центавра разрешение может достигать почти невообразимой величины в один метр! Кроме того, космический аппарат может продолжить путешествие дальше - гравитационная линза начинается на расстоянии в 550 а.е. и продолжает действовать и дальше.
Схема миссии FOCAL по наблюдению экзопланеты через солнечную гравитационную линзу.
Однако есть несколько препятствий для получения таких изображений. Первое, телескоп должен перемещаться в районе линии фокусировки, то есть проводить «сканирование» чтобы собрать изображение. Это может потребовать использовать целый рой микро-зондов, которые будут собирать изображение из отдельных «пикселей». Второе, наблюдаемая планета должна быть точно за Солнцем. Мы должны знать, какой из близлежащих миров мог бы быть лучшей целью, потому что только одна цель может быть наблюдаема за всю миссию, так как траектория полета миссии должна лежать точно на линии, проходящей через экзопланету и Солнце. NEAT или New Worlds могут определить такую цель. Если предсказания теории о высокой степени увеличения с помощью Солнца верны, то первый межзвездный зонд для такой миссии может нести только небольшой телескоп. Если будет доказано, что это возможно, то последующие миссии могут получать более полные изображения удаленных экзопланет.
От переводчика. Завершается статья общими соображениями о важности исследования экзопланет и надеждами на увеличение финансирования.