Научный детектив: телескоп TESS открыл "неуловимую" планету

Открытая планета относится к классу мининептунов.

Иллюстрация NASA, ESA, M. Kornmesser.

Космический телескоп TESS должен просканировать 85% неба за три года.

Иллюстрация NASA.

Орбитальная обсерватория TESS установила "личный рекорд", отыскав планету, которую, казалось бы, невозможно было обнаружить. Учёным противостояли и режим работы аппарата, и активность звезды, и случайные технические сбои. Но астрономы справились. Их усилия были вознаграждены: экзопланета оказалась рекордной не только по меркам инструмента.

Речь идёт о планете HD 21749b, расположенной в 53 световых годах от Земли в южном созвездии Сетки. "Год" на ней длится 36 земных дней.

Это небесное тело представляет собой мининептун: оно в три раза больше по диаметру и в 23 раза массивнее Земли. Вероятно, этот мир не имеет твёрдой поверхности и не может быть обитаемым.

Температура HD 21749b с учётом светимости звезды и расстояния до неё должна составлять около 150 °C. Казалось бы, это ни с какой стороны не рекорд: есть миры и куда более горячие, и гораздо более холодные.

Однако уникальным оказалось само сочетание достаточно яркой звезды (HD 21749 представляет собой оранжевый карлик, который лишь немного холоднее Солнца), небольшого размера и относительно скромной температуры экзопланеты.

"Это самая прохладная маленькая планета, которая нам известна вблизи такой яркой звезды, – объясняет ведущий автор исследования Диана Драгомир (Diana Dragomir) из Массачусетского технологического института. – Мы много знаем об атмосферах горячих планет. Но очень трудно находить маленькие планеты, которые находятся вдали от своих звёзд и, следовательно, являются более холодными. Поэтому мы не могли как следует изучить эти меньшие, более холодные планеты. Но теперь нам повезло: мы нашли эту [планету], и теперь можем изучить её более подробно".

История открытия HD 21749b напоминает остросюжетный детектив.

Напомним, что миссия TESS была запущена в мае 2018 года. Телескоп открывает новые миры методом транзитов: он фиксирует падения яркости звезды, возникающие, когда планета затмевает собой родительское светило.

Чтобы с уверенностью говорить об открытии планеты, нужно наблюдать не менее трёх таких затмений (транзитов). Так можно убедиться, что "помрачения звезды" происходят через равные промежутки времени и, следовательно, связаны с орбитальным движением планеты, а не с собственной активностью светила. Проблема в том, что TESS обозревает каждый сектор звёздного неба лишь 27 дней, после чего переходит к другому сектору.

Для выбора такой стратегии были свои резоны. Во-первых, большинство звёзд в Галактике составляют маленькие и тусклые красные калики. Если у такого светила есть потенциально обитаемая планета, то она должна быть расположена к нему достаточно близко (только так этот мир может получить достаточное количество тепла). А близость к солнцу означает малый период обращения. Например, у потенциально обитаемого мира Proxima b он составляет всего 11 земных дней.

Во-вторых, астрономам выгодно провести "массовую разведку", просканировав 85% неба за три года. Телескоп обнаружит все планеты, которые можно отыскать быстро. После этого на "обременённые семьёй" звёзды можно будет нацелить выполнивший первоначальную программу TESS и другие инструменты в поисках более удалённых от светила и неторопливых миров.

Космический телескоп TESS должен просканировать 85% неба за три года.
Космический телескоп TESS должен просканировать 85% неба за три года.
Иллюстрация NASA.

Однако ограничение в 27 дней на сектор неба означает, что у учёных нет практически никаких шансов открыть с помощью TESS планету с периодом обращения, превышающим этот срок. Между тем в случае HD 21749b специалисты сделали именно это.

Просматривая данные, собранные телескопом с 25 июля по 14 октября 2018 года, команда Драгомир зафиксировала одиночное падение яркости звезды HD 21749. По форме оно было похоже на транзит планеты и произошло под конец 27-дневного периода наблюдения сектора 1. Затем телескоп перешёл к обзору сектора 2, в границы которого это светило не попало.

Действительно ли это транзит планеты? Или, быть может, виной всему собственная активность, которой отличается это светило?

В поисках ответа исследователи обратились к данным спектрографа HARPS, установленного на большом наземном телескопе в Чили. В числе прочего он позволяет искать планеты методом лучевых скоростей, о котором "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) уже рассказывали. Вкратце речь о том, что прибор регистрирует небольшие смещения, которые испытывает звезда под воздействием гравитации собственной планеты.

Оказалось, что другая научная группа давно обнаружила потенциальные свидетельства существования экзопланеты у HD 21749.

"Они смотрели на эту звёздную систему десять лет назад и никогда ничего не объявляли, потому что не были уверены, наблюдают ли они [воздействие] планеты или активность звезды, – рассказывает Драгомир. – Но у нас был этот транзит, и мы знали, что там что-то есть".

Заново обработав данные HARPS, авторы обнаружили, что сигнал от HD 21749 повторяется каждые 36 дней. Это было очень похоже на период обращения экзопланеты.

К счастью, звезда ещё раз попала в поле зрения TESS. Она лежала не только в секторе 1, но и в частично пересекающимся с ним секторе 3. У астрономов были все шансы увидеть второй транзит.

Как только эти данные TESS были выложены в открытый доступ, авторы приступили к поискам… И обнаружили, что именно в этот момент наблюдений произошёл технический сбой, и информация безвозвратно утеряна!

Едва ли такой поворот дела обрадовал учёных. Однако настоящие исследователи не сдаются. Запросив максимально подробные данные, они обнаружили в первых данных, записанных после сбоя, падение блеска звезды, которое выглядело как конец транзита.

Подробно изучив этот фрагмент данных, астрономы убедились, что он практически идеально совпадает с соответствующим участком кривой первого транзита. Вряд ли это могло быть случайным совпадением. Таким образом, существование планеты было всё-таки подтверждено вопреки своенравной технике.

Чтобы окончательно убедиться в реальности HD 21749b, авторы использовали наблюдения наземного 6,5-метрового телескопа "Магеллан" (Magellan Telescope). Это позволило им уточнить массу планеты и параметры её орбиты.

Однако находки на этом не закончились. В той же системе, судя по наблюдениям TESS, обнаружилась ещё и землеподобная планета с периодом обращения в 7,8 земных дня. Правда, пока собранных данных недостаточно, чтобы делать однозначные выводы. Если существование этого мира подтвердится в независимых наблюдениях на других инструментах, это будет первая планета размером с Землю, открытая TESS.

К слову, HD 21749b стала третьей планетой, обнаруженной этим инструментом. Всего же по прогнозам экспертов телескоп должен отыскать не менее 20 тысяч миров.

Препринт научной статьи, рассказывающей об открытии, опубликован на сайте arXiv.org.