Охотник за планетами

Охотник за планетами

Астрономы Европейской Южной обсерватории (ESO) сообщают, что успешно выполнены первые наблюдения с новым спектрографом ESPRESSO, предназначенным для поиска небольших каменных экзопланет. Он установлен на Очень Большом Телескопе ESO (VLT) в обсерватории Параналь в Чили. ESPRESSO отличается неслыханной точностью регистрации малейших изменений в спектрах звезд, что и позволит ему находить новые экзопланеты. При работе с ним инструментом впервые будет реализован режим совместной работы всех четырех основных телескопов комплекса VLT, который таким образом станет экивалентным одиночному 16-метровому телескопу.

ESPRESSO (The Echelle SPectrograph for Rocky Exoplanet and Stable Spectroscopic Observations) представляет собой эшельный спектрограф (или эшелле-спектрограф, от франц. échelle «лестница»). Каждый спектрограф должен каким-то образом разделять попадающий в него поток излучения по длинам волн. Для этой цели может служить призма, а может – дифракционная решетка, которая образуется большим количеством параллельных штрихов на зеркальной поверхности. Штрихи должны быть нанесены с очень высокой точностью. Примером дифракционной решетки может служить компакт-диск, так как на нем нанесена дорожка для записи информации с расстоянием между витками равным 1,6 мкм. Благодаря этому мы можем наблюдать дифракцию солнечного света на поверхности компакт-диска.

Дифракция света на компакт-диске

Эшельная дифракционная решетка обладает очень высокой дисперсией и разрешающей способностью. Это достигается большим «углом блеска» решетки, то есть углом наклона грани штриха. Поскольку дифракционные картинки разных длин волны могут перекрываться, что вносит помехи в итоговые спектры, в эшельных спектрографах используется вспомогательное диспергирующая система – еще одна дифракционная решетка или призма установленная перпендикулярно основной. Сначала поток излучения попадает на нее и разделяются в первый раз, потом отдельные потоки попадают на эшельную решетку.

Принципиальная схема эшельного спектрометра

Над проектом ESPRESSO и его воплощением работали ученые из астрономической обсерватории Женевского и Бернского университетов, INAF–астрономической обсерватории Триеста и INAF–астрономической обсерватории Брера, Астрофизического института на Канарских островах, Института астрофизики и космических исследований университетов Порту и Лиссабона, а также ESO. Работы возглавляли Франческо Пепе (Женева), Стефано Кристиани (Триест), Рафаэль Реболо (Тенерифе) и Нуньо Сантос (Порту).

Охотиться за планетами ESPRESSO будет, измеряя лучевую скорость звезд – то есть скорость изменения расстояния между звездой и наблюдателем. Дело в том, что даже невидная нам планета, вращающаяся вокруг далекой звезды, может быть обнаружена по гравитационному эффекту. Тяготение планеты влияет на звезду, заставляя ее немного смещаться относительно их общего центра масс.

Обращение планеты изменяет положение и скорость звезды при ее вращении относительно общего центра масс

Смещения звезды могут быть зафиксированы спектроскопом благодаря эффекту Доплера. Когда звезда движется от земного наблюдателя, ее спектр смещается в сторону синего, а когда в противоположном направлении – в сторону красного. Если у таких изменений обнаруживается периодичность, это свидетельствует о наличии планеты или нескольких планет, вращающихся вокруг данной звезды.

Вакуумная камера, в которой находится спектрограф

Внутри вакуумной камеры. Справа – эшельная дифракционная решетка

Но, чтобы так охотиться за экзопланетами, нужен спектрограф очень высокой точности.

ESPRESSO пришел на смену инструменту HARPS, работаюшему в обсерватории Ла Силья. Если HARPS способен измерять лучевую скорость звезды с точностью около одного метра в секунду, то ESPRESSO, благодаря техническим усовершенствованиям и установке на телескопе гораздо большего размера, должен достичь точности всего в несколько сантиметров в секунду. Поэтому, если раньше из внесолнечных планет удавалось обнаружить в основном газовые гиганты, то теперь можно рассчитывать на открытие каменных планет, подобных планетам земной группы. Когда в строй войдет Чрезвычайно Большой Телескоп ESO, его приемник HIRES, который сейчас разрабатывается, сможет регистрировать методом лучевых скоростей экзопланеты еще меньших размеров, вплоть до планет размера Земли.

Метод лучевых скоростей позволяет астрономам измерить массу и параметры орбиты планеты. Сочетание его с другими методами, такими, как метод транзитов, дает возможность получить больше информации – например, узнать размеры и плотность экзопланеты. Этим путем проходит охота за экзопланетами в рамках кампании «Обозрение транзитов нового поколения» (Next-Generation Transit Survey: NGTS) в обсерватории ESO на горе Параналь.

Научный руководитель проекта Франческо Пепе (Francesco Pepe) рассказывает о новом приборе: «Его успех – это результат работы большого коллектива на протяжении более десятилетия. ESPRESSO – не просто продукт эволюции наших прежних инструментов, таких, как HARPS, а результат трансформации, которая привела к крадинальному повышению разрешения и точности измерений. И в отличие от прежних приемников новый спектрограф сможет использовать всю светособирающую мощь VLT — все четыре основных восьмиметровых «юнита», составляющих комплекс VLT, будут работать одновременно как эквивалент телескопа с 16-метровым зеркалом. ESPRESSO еще по крайней мере лет десять останется непревзойденным инструментом — и я с нетерпением жду открытия нашей первой каменной планеты!».

Световое излучение от четырех телескопов VLT собирается вместе и подается по оптическому кабелю в соседнее помещение, где находится спектрограф

В программу тестовых наблюдений были включены звезды и некоторые из известных планетных систем. Сравнение с данными, полученными ранее со спектрографом HARPS, показали, что ESPRESSO может получать результаты такого же качества за значительно меньшее время экспозиции.

Помимо своей основной задачи ESPRESSO может послужить и для других исследований. Например, он станет самым мощным инструментом в мире для ответа на вопрос, изменились ли основные физические постоянные во времен ранней Вселенной. Их малые вариации предсказываются некоторыми фундаментальными физическими теориями, но убедительного их экспериментального подтверждения так никогда и не было получено.

Источник: ПОЛИТ.РУ