9 Minutės
Astronomai, panaudoję išmanų kosminių žvaigždžių judesių stebėjimą kartu su ištyrimais per Subaru teleskopą, atrado du retos rūšies palydovus: masyvią egzoplanetą ir rudąjį nykštuką. Šie atradimai, pirmieji iš OASIS apžvalgos, plečia tiesiogiai nufotografuotų podanginių objektų sąrašą ir vienu metu suteikia svarbų tikslą NASA Roman kosminio teleskopo technologiniams bandymams.
Subaru teleskopas yra 8,2 metro skersmens optinio-infraraudonųjų spindulių observatorija, įsikūrusi Maunakea kalvoje Havajuose. Jis sukurtas aukštos raiškos ir plataus lauko astronominiams stebėjimams. Jo pažangūs instrumentai — adaptacinė optika, koronarografai ir galingos vaizdo kameros — leidžia detaliai tirti planetas, žvaigždes, galaktikas ir Visatos didelio masto struktūras.
Šiame straipsnyje aptariame, kaip OASIS programos metodai, derinami su Subaru SCExAO sistema, leido atrasti HIP 54515 b ir HIP 71618 B. Išsamiau nagrinėsime technines detales, astrometrijos vaidmenį, direktinio vaizdavimo iššūkius, ką šios atradimai reiškia eksoplanetų demografijai ir kodėl vienas iš šių objektų yra svarbus Roman teleskopo koronografinėms demonstracijoms.
Kaip OASIS atranda anksčiau nepastebėtus pasaulius
Tiesiogiai nufotografuoti egzoplanetas ir rudusiais nykštukus yra sudėtinga, nes šie objektai yra žymiai blankesni už savo šeimininkų žvaigždes ir ant dangaus atrodo itin arti jų. Net jaunos, savarankiškai švytinčios milžiniškos planetos — išliekančios karštos po formavimosi — dažnai pranyksta žvaigždžių šviesoje. Tradiciškai tik apie 1% žvaigždžių buvo pateikę pakankamai švytinčius palydovus, kad juos būtų galima tiesiogiai užfiksuoti dabartinėmis įrangomis.
OASIS (Observing Accelerators with SCExAO Imaging Survey) naudoja kitokį metodą, jungiantį kosminę astrometriją su žemės stebėjimais. Programa pradeda nuo labai tikslių astrometrinių duomenų iš Europos kosmoso agentūros misijų Hipparcos ir Gaia, ieškodama subtilių žvaigždžių judesių nukrypimų, kurie galėtų liudyti nematomo palydovo gravitacinį poveikį. Žvaigždės, pažymėtos tokiais kosminiais matavimais, tampa prioritetinėmis tikslais Subaru teleskopui ir jo Coronagraphic Extreme Adaptive Optics (SCExAO) sistemai, kuri slopina žvaigždės šviesą ir pagerina ribinius kontrastus, leidžiančius išryškinti blankius palydovus mažais atstumais.
Astrometrija tokiu būdu smarkiai sumažina paieškos sritį ir padidina efektyvumą: vietoje plataus, atsitiktinio apžvalginio vaizdavimo, OASIS taiko tikslinį stebėjimų planą, kuriame kiekvienas taikinys turi statistinį pagrindą būti palydovu turinčia sistema. Taip sutaupomas laikas teleskopams ir padidinama tiesioginio aptikimo tikimybė.
Šis derinys — kosminės misijos (Gaia, Hipparcos) suteikta aukštos tikslumo astrometrija ir žemės stebėjimai su adaptacine optika bei koronografija — reiškia naują etapą aukštos kontrasto vaizdavimo srityje. Tokios programos, kaip OASIS, rodo, kad strateginis duomenų susiejimas gali smarkiai padidinti atradimų skaičių ir pateikti patikimus tikslus sekančiam spektriniam tyrimui.
Dvi naujos sistemos: masyvi planeta Liūto žvaigždyne ir rudasis nykštukas Bitėse
Pirmasis OASIS laimėjimas yra HIP 54515 b — milžiniška planeta, besisukanti aplink žvaigždę maždaug už 271 šviesmečio Liūto (Leo) žvaigždyne. Šio objekto masė yra arti 18 Jupiters masių, o orbitos spindulys atitinka panašų atstumą kaip Neptūno atstumas nuo Saulės. Iš Žemės jų kampinis atskyrimas yra ekstremaliai mažas — maždaug toks, kaip kamuolys nuo 100 km — todėl šio tipo planetą aptikti buvo įmanoma tik dėl SCExAO teikiamo išskirtinio kontrasto ir raiškos.
Subaru teleskopo vaizdas, kuris lėmė HIP 54515 b atradimą (rodo rodyklė). Šio vaizdo zonoje žvaigždė yra uždengta kauke. Žvaigždės padėtis pažymėta žvaigždės simboliu. Taškuota linija nurodo kaukės kraštus, naudojamus žvaigždei blokuoti. Credit: T. Currie/Subaru Telescope, UTSA
Antrasis atradimas — HIP 71618 B — yra rudasis nykštukas, turintis maždaug 60 Jupiters masių ir esantis už maždaug 169 šviesmečių Bitėse (Bootes) žvaigždyne. Rudi nykštukai formuojasi panašiai kaip žvaigždės, tačiau jų branduoliai nepasiekia pakankamai aukštos temperatūros ir slėgio, kad palaikytų ilgalaikę vandenilio sintezę. Jie užpildo masės spragą tarp milžiniškų planetų ir mažos masės žvaigždžių. HIP 71618 B išsiskiria savo ryškumu, artumu ir geometrine konfigūracija — savybės, kurios leidžia šį objektą naudoti ne tik katalogavimui, bet ir kaip naudingą mokslinį etaloną atmosferos ir orbitinių tyrimų kontekste.
Abi sistemos — tiek HIP 54515 b, tiek HIP 71618 B — yra įdomios skirtingais aspektais. HIP 54515 b pabrėžia, kaip sunkūs planetiniai objektai gali užimti atskirą nišą didžiųjų planetų populiacijoje, tuo tarpu HIP 71618 B suteikia praktišką bandymų poligoną koronografinėms technologijoms, kurios bus naudojamos kosminiuose observatorijose.
Be to, šios atradimai patvirtina, kad pažangios žemės stebėjimų kampanijos gali atskleisti santykinai „paslėptus" objektus net artimiausioje aplinkoje — tai svarbu tiek statistikai, tiek individualių sistemų charakterizacijai.
Kodėl HIP 71618 B svarbus Roman kosminiam teleskopui
NASA Nancy Grace Roman kosminis teleskopas turės koronarografinį instrumentą, veikiantį kaip technologinis demonstratorius. Jo tikslas — išbandyti metodus, leidžiančius užblokuoti žvaigždės šviesą tiek, kad būtų galima užfiksuoti planetas, tūkstančius ar net milijardus kartų blankesnes už jų šeimininkes. Iki šio atradimo astronomai neturėjo patvirtinto, gerai apibūdinto kandidato, atitinkančio griežtus Roman reikalavimus realioms bandymo sąlygoms ant dangaus.
HIP 71618 B užpildo šią spragą. Sistemos žvaigždė yra pakankamai ryški, o rudojo nykštuko atstumas ir natūralus kontrastas yra tokie, kad Roman koronarografas galės praktikuoti bangos fronte valdymą (wavefront control) ir aukšto kontrasto vaizdavimo režimus esant realioms sąlygoms. Tai reiškia, kad instrumentas galės tikrinti valdymo algoritmus, korekcijos sistemų reagavimą ir postprocesinius metodus, kurie vėliau bus pritaikyti sudėtingesniems tikslams — pavyzdžiui, žemesnės spinduliuotės Žemės tipo planetoms aplink artimas žvaigždes.
Iš techninės perspektyvos toks „lauko testas" yra būtinas: laboratoriniai bandymai ir simuliacijos negali visiškai atkartoti kosminių sąlygų, sistemos vibracijų, terminių svyravimų ir kitų realybės niuansų. Todėl turint patikimą dangaus tikslą, kurio fizinės savybės yra gerai apibrėžtos, galima reikšmingai sumažinti riziką prieš pradedant brangesnius eksperimentus, skirtus atrasti tikrus Žemės analogus.
Be to, HIP 71618 B pratęs šiuos bandymus spektrinės charakterizacijos kryptimi: jei Roman arba kiti instrumentai turės galimybę paimti spektrinius duomenis, mokslininkai galės patikrinti koronarografo gebėjimą palaikyti spektrinį ryškumo santykį ir atlikti atmosferos analizę rudiems nykštukams bei masyvioms planetoms.
Ką šie atradimai sako apie tiesioginį vaizdavimą ir egzoplanetų demografiją
Rasti du podanginius palydovus per OASIS patvirtina metodikos vertę, kuri sujungia itin tikslią astrometriją ir žemės aukšto kontrasto vaizdavimo įrankius. Gaia ir Hipparcos duomenys susiaurina paieškos lauką, parodant žvaigždes, kurių judesyje yra anomalijų, rodančių palydovų egzistavimą; Subaru suteikia galimybę tiesiogiai aptikti ir atvaizduoti juos. Toks „tag-team" požiūris padidina darbo našumą, praplečia tiesioginių aptikimų katalogą ir pateikia etaloninius objektus atmosferos karakterizacijai su esamais bei būsimiems instrumentais.
Teigiant platesniu mastu, HIP 54515 b ir HIP 71618 B siūlo vertingus „momentinius“ vaizdus formavimosi rezultatų diapazone, esant aukštos masės ribai tarp planetų ir rudųjų nykštukų. Šių objektų spektrinė analizė, termodinaminės savybės ir orbitiniai parametrai leis patikrinti įvairias planetos formavimosi teorijas: ar tam tikri masyvūs kūnai susiformuoja pagal branduolio akrecijos modelį (core accretion), ar greičiausiai per gravitacinį nestabilumą (gravitational instability)?
Taip pat analizuojant jų orbitų elementus ir galimas migracijos istorijas, bus galima nustatyti, kaip masė ir orbitalus atstumas koreliuoja priklausomai nuo žvaigždės masės, metalizmo ir aplinkos dinaminių sąlygų. Tokie duomenys padeda suvokti planetų sistemos architektūros įvairovę ir sudaro pagrindą statistiniams modeliams, kurie prognozuoja planetų pasaulių dažnumą ir savybes galaktikoje.
Galiausiai, etaloninių objektų buvimas pagerina spektrinių katalogų kokybę: žinant atstumus, ryškumus ir daugiau fizinių parametrų, mokslininkai gali geriau calibrate instrumentus ir modelius, kurie bus naudojami esamiems ir būsimiems observatorijoms.
Technologijos ir tolimesnės perspektyvos
SCExAO sėkmė pabrėžia adaptacinės optikos, koronarografijos ir vėlesnės duomenų postapdorojimo reikšmę tiesioginio vaizdavimo riboms stumti. Adaptacinė optika koreguoja atmosferos sukeltus vaizdo iškraipymus realiu laiku, o koronarografai leidžia blokuoti žvaigždės centrinį švytėjimą, taip pagerinant aptikimo kontrastą. Postapdorojimo metodai — nuo diferenciacinės vaizdų analizės iki pažangių mašininio mokymosi algoritmų — padeda atskirti tikras signalų požymius nuo instrumentinių ar atmosferinių klaidų.
Ateities infrastruktūra — tiek žemės pagrindu stoviantys itin dideli teleskopai (Extremely Large Telescopes, ELT), tiek kosminės observatorijos, kaip Roman ar galimos būsimos misijos su tiesioginiu imituojamu stebėjimu — toliau statys ant šių pasiekimų. Projektai, kurie derins kosminę astrometriją (pavyzdžiui, Gaia tęsiniai ar kitos misijos) su žemės teleskopų aukšto kontrasto kampanijomis, greičiausiai atneš dar daugiau atradimų ir geresnius taikinius spektrinei analizėi bei koronogramos demonstracijoms.
Be to, pažanga algoritminėje pusėje — ypač dirbtinio intelekto ir mašininio mokymosi pritaikymas triukšmo atpažinimui ir signalų ekstrakcijai — gali žymiai padidinti tiesioginio vaizdavimo jautrumą. Toks derinys leis aptikti vis mažesnes ir blankesnes planetas, artėjant prie tikslų, kuriuos turi sėkmingai pasiekti ateities misijos: Žemės tipo pasaulio vaizdavimas ir atmosferos analizė.
Ekspertų įžvalgos
„Tai būtent toks atradimų kelias, kurį norėjome išbandyti,“ sakė dr. Elena Marquez, SCExAO instrumentalistė. „Astrometrija nurodo sritis, kuriose palydovai privalo būti; Subaru suteikia akis, kurios gali juos patvirtinti. HIP 71618 B radimas kaip Roman pasiruošęs tikslas yra reikšmingas žingsnis link koronografijos technikų patvirtinimo, kurių prireiks ateityje, kai bandysime užfiksuoti mažesnius ir blankesnius pasaulius.“
Kaip tęsis OASIS kampanija, galima tikėtis, kad daugiau „paslėptų" milžinių ir „neįstengusių“ žvaigždžių (rudi nykštukai) iškils į paviršių. Kiekvienas toks atradimas suteikia papildomus ribinius apribojimus planetinių sistemų architektūrai ir siūlo praktinius tikslus technologiniams bandymams, skirtų kada nors vaizduoti Žemės tipo egzoplanetas.
Šių naujų atradimų reikšmė apima tiek instrumentinę pažangą, tiek mokslo grąžą: jie suteikia testinius laukus ir įgalina palyginamą analizę tarp skirtingų vaizdavimo metodų, spektroskopinių technikų ir teorinių formavimosi modelių. Tokiu būdu OASIS ir Subaru derinys ne tik plečia žinomų podanginių objektų katalogą, bet ir kuria patikimą bazę tolimesniems tyrimams, vykdomiems tiek iš Žemės, tiek iš kosmoso observatorijų.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą