NASA сообщило, что 5030 внесолнечных планет были подтверждены в 3772 системах, а еще 8974 кандидата ожидают подтверждения. Ожидается, что с появлением в сети инструментов следующего поколения, таких как космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST), количество и разнообразие подтвержденных экзопланет будут расти в геометрической прогрессии. В частности, астрономы ожидают, что количество известных планет земной группы и суперземель резко возрастет.

В ближайшие годы возможности для изучения экзопланет значительно увеличатся, поскольку будут обнаружены еще тысячи. В недавнем исследовании группа под руководством Китайской академии наук (CAS) описала новую концепцию космического телескопа, известную как Closeby Habitable Exoplanet Survey (CHES). Эта предлагаемая обсерватория будет искать планеты, подобные Земле, в обитаемых зонах (HZ) солнцеподобных звезд в пределах примерно 33 световых лет (10 парсеков) с использованием метода, известного как относительная астрометрия в микросекундной угловой секунде.

Раздел астрономии, известный как астрометрия, состоит из точных измерений положений и собственных движений небесных тел путем сравнения их с фоновыми эталонными звездами. Примеры этого метода включают обсерваторию Гайя ЕКА, которая с 2013 года измеряет движение 1 миллиарда звезд в Млечном Пути (а также 500 000 далеких квазаров). Эти данные будут использованы для создания наиболее точной трехмерной карты галактики.

В этом случае исследователи из Китайской академии наук (CAS) и нескольких китайских обсерваторий и университетов предлагают космический телескоп , который мог бы проводить высокоточные астрометрические измерения солнцеподобных звезд для обнаружения экзопланет, вращающихся вокруг них. Предлагаемая миссия CHES будет работать в точке Лагранжа L2 между Солнцем и Землей, где в настоящее время находится космический телескоп НАСА имени Джеймса Уэбба (JWST), и наблюдать за целевыми звездами в течение пяти лет. Эти цели будут включать 100 звезд в пределах 33 световых лет от Солнечной системы, которые относятся к типам F, G и K.

В то время как звезды F-типа (желто-белые карлики) горячее, ярче и массивнее нашего Солнца, звезды G-типа (желтые карлики) соответствуют нашему Солнцу — звезде G2V главной последовательности. Между тем звезды К-типа (оранжевый карлик) немного тусклее, холоднее и менее массивны, чем наше Солнце. Для каждой наблюдаемой звезды CHES будет измерять небольшие динамические возмущения, вызванные вращающимися вокруг экзопланетами, что обеспечит точные оценки их масс и периодов обращения.

Как космическая обсерватория, CHES не будет подвергаться помехам из-за прецессии Земли и атмосферы и сможет проводить астрометрические измерения с достаточной точностью, чтобы попадать в область микросекунд дуги. Доктор Цзянхуэй Цзи является профессором Ключевой лаборатории планетарных наук CAS в Нанкине, Университет науки и технологий, и ведущим автором исследования.

«Для планеты с массой Земли в 1 а.е. вокруг звезды солнечного типа на расстоянии 10 пк астрометрическое колебание звезды, вызванное Двойником Земли, составляет 0,3 микросекунды дуги. Таким образом, требуется измерение уровня в микросекундах дуги. Относительная астрометрия поскольку CHES может точно измерить угловое расстояние на уровне микросекундной дуги между одной целевой звездой и 6-8 эталонными звездами. Основываясь на измерениях этих крошечных изменений, мы можем определить, есть ли вокруг них планеты земной группы ».

В частности, CHES проведет первые прямые измерения истинных масс и наклонений аналогов Земли и суперземель, которые вращаются в пределах зоны действия своих звезд и считаются «потенциально обитаемыми». По словам доктора Джи, основной полезной нагрузкой для этой миссии является высококачественное зеркало диаметром 1,2 метра (фут) и полем зрения (FOV) 0,44 ° x 0,44 °. Это зеркало является частью системы коаксиального трехзеркального анастигмата (ТМА), где три изогнутых зеркала используются для минимизации оптических аберраций.

CHES также использует мозаичные устройства с зарядовой связью (ПЗС) и метод лазерной метрологии для проведения астрометрических измерений в диапазоне 500–900 нм, включая видимый свет и ближний инфракрасный спектр. Эти возможности дадут значительные преимущества по сравнению с транзитным методом , который остается наиболее широко используемым и эффективным средством обнаружения экзопланет. В этом методе звезды отслеживаются на предмет периодических провалов светимости, которые могут указывать на то, что планеты проходят перед звездой (т. е. проходят) относительно наблюдателя.

Кроме того, CHES поможет в переходе, происходящем в настоящее время в исследованиях экзопланет, где акцент смещается с процесса открытия на характеристику. Как объяснил доктор Цзи:

«Во-первых, CHES проведет обширный обзор ближайших звезд солнечного типа на расстоянии 10 PC от нас и обнаружит все планеты земного типа в обитаемой зоне с помощью астрометрии, в случае, когда транзитный метод не может сделать (например, TESS). или PLATO) [Это] требует, чтобы орбиты планет смотрели с ребра по отношению к лучу зрения наблюдателей.

«Во-вторых, CHES предложит первые прямые измерения истинных масс «Земных близнецов» и суперземель, вращающихся вокруг наших соседних звезд, в которых планетарная масса действительно имеет значение для характеристики планеты. Для сравнения, [метод транзита] обычно может обеспечить радиус планеты и должен быть подтвержден другими наземными методами, такими как радиальная скорость.

«Наконец, CHES предоставит трехмерные орбиты (например, наклоны) планет земной группы, которые также будут действовать как еще один важный показатель, участвующий в формировании и характеристике планет».

Эти возможности помогут астрономам значительно расширить текущую перепись экзопланет, которая состоит преимущественно из газовых гигантов (подобных Юпитеру или Сатурну), мини-Нептунов и суперземель. Но астрономы ожидают, что с улучшенным разрешением и чувствительностью инструментов следующего поколения число земных аналогов будет расти в геометрической прогрессии. Это также улучшит наше понимание разнообразной природы планет, вращающихся вокруг солнцеподобных звезд, и прольет свет на формирование и эволюцию Солнечной системы.

Но преимущества космической астрометрической миссии нового поколения на этом не заканчиваются. Как указал доктор Цзи, он сможет помочь в исследованиях, основанных на втором по популярности и эффективности методе обнаружения экзопланет, известном как метод лучевой скорости (также известный как доплеровская спектроскопия). Для этого метода астрономы наблюдают за звездами на наличие признаков видимого движения вперед и назад («колебания») в результате гравитационного влияния вращающихся планет. Д-р Цзи сказал: «Кроме того, CHES может проводить совместные измерения с высокоточными приборами для измерения лучевых скоростей, такими как Чрезвычайно большой телескоп (ELT) и Тридцатиметровый телескоп (TMT). [Он также может] проверять кандидаты на обитаемые планеты, обнаруженные [этот метод] и точно охарактеризовать планетарные массы и параметры орбиты».

Помимо этого, CHES поможет расширить границы астрономии и космологии, помогая в поиске темной материи, изучении черных дыр и других областях исследований. Это исследование позволит по-новому взглянуть на физику, управляющую нашей Вселенной, на формирование и эволюцию планетарных систем и на происхождение самой жизни. Другие обсерватории, такие как римский космический телескоп Нэнси Грейс (а также ELT и TMT), смогут проводить прямые исследования изображений меньших экзопланет, которые вращаются ближе к своим звездам — именно там, где ожидается обнаружение скалистых планет HZ.

В сочетании с астрометрическими измерениями, которые могут выявить сотни скалистых экзопланет в соседних системах, астрономы могут оказаться на грани обнаружения жизни за пределами Земли.