Используя недавно разработанную систему для получения изображений экзопланет в среднем инфракрасном диапазоне, в сочетании с очень длительными наблюдениями, авторы исследования утверждают, что теперь они могут использовать наземные телескопы для прямого получения изображений планет размером примерно в три раза больше Земли в пределах обитаемых зон близлежащих звезд.
Усилия по прямой съемке экзопланет — планет вне нашей Солнечной системы — были ограничены технологическими ограничениями, что привело к смещению в сторону обнаружения планет, которые намного больше Юпитера и расположены вокруг очень молодых звезд, а также далеко за пределами жилой зоны — «зоны наилучшего восприятия», в которой планета может содержать жидкую воду. Если астрономы хотят найти инопланетную жизнь, им нужно искать в другом месте.
«Если мы хотим найти планеты с условиями, пригодными для жизни в том виде, в каком мы ее знаем, мы должны искать каменистые планеты размером примерно с Землю, внутри жилых зон вокруг более старых, похожих на Солнце звезд«, — сказал первый автор статьи Кевин Вагнер, стипендиат Сагана в программе стипендий Хаббла НАСА в Стюардской обсерватории Аризонского университета.
Метод, описанный в статье, обеспечивает более чем десятикратное улучшение по сравнению с существующими возможностями непосредственного наблюдения за экзопланетами, сказал Вагнер. Большинство исследований по визуализации экзопланет смотрели в инфракрасном диапазоне длин волн менее 10 микрон, останавливаясь лишь в том диапазоне длин волн, где такие планеты сияют ярче всего, сказал Вагнер.
«Этому есть веская причина, потому что сама Земля светит вам на этих длинах волн», — сказал Вагнер. «Инфракрасные излучения с неба, камеры и самого телескопа, по сути, заглушают ваш сигнал. Но хорошая причина сосредоточиться на этих длинах волн — это то, что именно там Земля в жилой зоне вокруг подобной Солнцу звезды будет сиять ярче всего«.
Команда использовала Очень большой телескоп, или VLT, Европейской южной обсерватории в Чили для наблюдения за нашей ближайшей соседней звездной системой: Альфа Центавр, всего в 4,4 световых годах отсюда. Альфа Центавра, находящуюся всего в 4,4 световых годах от нас. Альфа Центавра — это тройная звездная система; она состоит из двух звезд — Альфа Центавра А и В — которые похожи на Солнце по размеру и возрасту и вращаются друг вокруг друга как двойная система. Третья звезда, Альфа Центавра С, более известная как Проксима Центавра, представляет собой гораздо меньший красный карлик, вращающийся вокруг своих двух братьев и сестер на большом расстоянии.
Планета размером не более чем в два раза больше Земли, вращающаяся в обитаемой зоне вокруг Проксимы Центавра, уже была косвенно обнаружена путем наблюдений за изменением радиальной скорости звезды или крошечным колебанием звезды под действием притяжения невидимой планеты. По мнению авторов исследования, Альфа Центавра А и В могут содержать похожие планеты, но косвенные методы обнаружения еще недостаточно чувствительны, чтобы найти каменистые планеты в их более широко разделенных обитаемых зонах, объяснил Вагнер.
«Благодаря прямой визуализации мы впервые можем выйти за эти пределы обнаружения«, — сказал он.
Для повышения чувствительности системы визуализации команда использовала так называемое адаптивное зеркало вторичного телескопа, которое может корректировать искажение света земной атмосферой. Кроме того, исследователи использовали маску, блокирующую свет звезд, которая была оптимизирована для среднеинфракрасного спектра света, чтобы блокировать свет от одной из звезд одновременно. Для одновременного наблюдения за жилыми зонами обеих звезд они также разработали новую технику, позволяющую очень быстро переключаться между наблюдением Альфа Центавра А и Альфа Центавра Б.
«Мы перемещаем одну звезду на коронограф и одну звезду с коронографа каждую десятую секунды«, — сказал Вагнер. «Это позволяет нам наблюдать каждую звезду в течение половины времени, и, что важно, это также позволяет нам вычесть один кадр из последующего кадра, который удаляет все, что по существу является просто шумом от камеры и телескопа.«
Используя этот подход, нежелательный звездный свет и «шум» — ненужный сигнал изнутри телескопа и камеры — создают по существу случайные фоновые шумы, которые можно еще больше уменьшить, складывая изображения и вычитая шумы с помощью специализированного программного обеспечения.
Подобно эффекту наушников с функцией шумоподавления, которые позволяют услышать мягкую музыку над постоянным потоком нежелательных шумов реактивного двигателя, эта техника позволила команде убрать как можно больше нежелательных шумов и обнаружить гораздо более слабые сигналы, создаваемые потенциальными кандидатами планеты внутри жилой зоны.
Команда наблюдала за системой Альфа Центавра в течение почти 100 часов в течение месяца в 2019 году, собрав более 5 миллионов изображений. Они собрали около 7 терабайт данных, которые были опубликованы на сайте http://archive.eso.org.
«Это одна из первых кампаний по получению изображений экзопланет в течение нескольких ночей, в которой мы суммировали все данные, которые мы накопили почти за месяц, и использовали их для достижения нашей окончательной чувствительности«, — сказал Вагнер.
После удаления так называемых артефактов — ложных сигналов, создаваемых приборами, и остаточного света из коронаграфа — окончательное изображение выявило источник света, обозначенный как «С1», который потенциально может намекать на присутствие экзопланетного кандидата внутри жилой зоны.
«Есть один точечный источник, который выглядит так, как мы ожидаем, будет выглядеть планета, и который мы не можем объяснить никакими систематическими исправлениями ошибок«, — сказал Вагнер. «Мы не на том уровне уверенности, чтобы сказать, что обнаружили планету вокруг Альфа Центавра, но там есть сигнал, который может быть с некоторой последующей проверкой«.
Моделирование того, как могут выглядеть планеты в этих данных, предполагает, что «С1» может быть планетой размером от Нептуна до Сатурна на расстоянии от Альфы Центавра А, которое похоже на расстояние между Землей и Солнцем, сказал Вагнер. Однако авторы четко заявляют, что без последующей проверки возможность того, что C1 может быть вызван каким-то неизвестным артефактом, вызванным самим инструментом, пока не может быть исключена.
Поиск потенциально обитаемой планеты в пределах Альфы Центавра был целью инициативы Breakthrough Watch/NEAR, которая расшифровывается как Новые Земли в районе Альфы Центавра. Breakthrough Watch — это глобальная астрономическая программа, которая ищет планеты Земного типа вокруг ближайших звезд.
Через несколько лет команда намерена начать еще одну кампанию по получению изображений, пытаясь поймать эту потенциальную экзопланету в системе Альфа Центавра в другом месте, и посмотреть, будет ли она соответствовать тому, что ожидается, на основе моделирования ее ожидаемой орбиты. Дальнейшие подсказки могут быть получены в результате последующих наблюдений с использованием различных методов.
Следующее поколение сверхбольших телескопов, таких как Сверхбольшой телескоп Европейской Южной обсерватории и Гигантский Магелланов телескоп, для которого Аризонский университет производит первичные зеркала, как ожидается, смогут увеличить прямые наблюдения ближайших звезд, которые могут содержать планеты в их обитаемых зонах, в 10 раз, объяснил Вагнер. Кандидаты на рассмотрение включают Сириус, самую яркую звезду в ночном небе, и Тау Кита, в которой находится косвенно наблюдаемая планетная система, которую Вагнер и его коллеги попытаются непосредственно изобразить.