Kepler: охотник за планетами

Около недели осталось до запуска телескопа James Webb. Одна из возложенных на него задач будет заключаться в поиске экзопланет, в том числе земного типа. Сегодня в рамках специального проекта «Взгляд в темноту» мы расскажем о телескопе Kepler — знаменитом предшественнике James Webb, который позволил человечеству обнаружить почти пять тысяч новых потенциальных планет.Как искать планеты?Одиноки ли мы во Вселенной? Этот вопрос волнует человечество на протяжении многих веков. И если большую часть своей истории люди были вынуждены только строить предположения на тему существования внеземной жизни, то с началом космической эры стало возможно подкреплять все «за» и «против» фактическими данными. Неудивительно, что в качестве потенциальных мест возникновения жизни вне нашей Солнечной системы в первую очередь рассматриваются планеты, похожие на Землю. Именно для их поиска 6 марта 2009 года ракета-носитель Delta II вывела на гелиоцентрическую орбиту космическую обсерваторию Kepler.Запуск Kepler на орбиту. NASA/Sandra Joseph, Kevin O'ConnellИдея космической миссии по поиску и исследованию экзопланет родилась задолго до того, как состоялся запуск Kepler. Ее отцом по праву считается Уильям Боруки — планетолог из Исследовательского центра Эймса (NASA). С 1983 года Уильям Боруки работал над созданием фотометров — высокоточных детекторов света. Эти устройства первыми позволили искать планеты за пределами Солнечной системы. Идея метода была довольно простой: фотометр измерял интенсивность свечения какой-либо звезды, и, если она периодически уменьшалась, значит, между звездой и прибором проходила планета, вращающаяся вокруг этой звезды. Однако, чтобы уловить это прохождение, прибор должен обладать крайне высокой чувствительностью. Например, планета размером с Юпитер (диаметр которого в 11 раз больше земного), пересекая диск звезды, подобной Солнцу, снижает ее яркость всего на 1%. В случае планеты, подобной Земле, это значение будет составлять всего 0,01%.По гипотезе Уильяма Боруки, у большинства звезд должны быть свои планеты, причем многие из них — земного типа. Чтобы подтвердить это предположение, исследовательская группа У. Боруки в 1992 году впервые представила в NASA проект космической миссии по поиску экзопланет. Комиссия признала, что научная ценность исследования крайне высока, но поставила под сомнение точность существовавших на тот момент фотометров. Проект отклонили, и Исследовательский центр Эймса продолжил разработки и испытания детекторов высокой чувствительности, которые должны были убедить космическое агентство. За последующие восемнадцать лет Уильям Боруки получил еще три отказа, но в 2001 году его миссия под названием Kepler наконец получила одобрение как десятая миссия NASA по программе Discovery. Телескоп для охоты за планетами получил имя в честь немецкого математика и астронома Иоганна Кеплера, сформулировавшего законы движения планет.Kepler на Земле. NASA/Troy CryderДалее последовала длительная разработка аппарата, который NASA планировало вывести на орбиту сначала в январе, а затем в марте 2006 года. Однако запуск из-за финансовых проблем пришлось отложить на три года. Наконец в апреле 2009 года, через месяц после успешного вывода на орбиту, телескоп Kepler передал на Землю свой первый снимок. Несмотря на то что на тот момент камера фотометра не была откалибрована и изображение было довольно нечетким, фотография изображала около 4,5 миллиона звезд созвездий Лебедя и Лиры.Изначально бюджет проекта оценивался в 600 миллионов долларов, включая создание, запуск аппарата и его эксплуатацию в течение трех с половиной лет. Однако через три года после запуска, в 2012 году, NASA сообщило, что продолжит финансировать проект вплоть до 2016 года.Технические характеристики телескопаПитание телескопа — аппарата длиной около 4,7 метра и массой чуть более тонны — обеспечивали четыре солнечные батареи общей площадью порядка 10 м2.Поле зрения Kepler ограничивалось строго определенной областью, которую с Земли нельзя было изменять, тогда как многие другие телескопы, в том числе широко известный Hubble Space Telescope, по команде можно было направлять на любой участок космического пространства. Kepler отслеживал только четверть процента площади всей небесной сферы, охватывающую три созвездия Северного полушария — Лебедь, Лира и Дракон. Несмотря на кажущуюся ограниченность обзора, одновременно телескоп позволял наблюдать порядка ста тысяч звезд. Для четкого позиционирования аппарата инженеры разработали специальный механизм из маховых колес — единственных подвижных элементов всей конструкции.Куда смотрит Kepler. Jon Lomberg/NASAФотометр — основное детектирующее устройство телескопа — состоял из 42 рабочих ПЗС-матриц и 4 дополнительных матриц, необходимых для точного управления. Данные с прибора снимались раз в шесть секунд, после чего их анализировали бортовые компьютеры. Kepler позволял определять яркость звезд с удивительной точностью — так, что даже очень слабое затемнение (на 0,01%), вызванное прохождением планеты перед диском, можно было уловить.Интересно, что температура работы элементов телескопа сильно отличалась. Так, например, корректор Шмидта — специальная линза, которая компенсирует сферические аберрации, — работал при температуре около -30 °С, а ПЗС-матрицы фотометра — при -85 °С. Такие низкие температуры необходимы для снижения шума при получении изображений.Годы плодотворной работыПредполагалось, что за первые два года работы на орбите телескоп обнаружит около 50 планет земного типа. Однако результаты значительно превзошли все ожидания. Уже к началу 2010 года Kepler обнаружил пять новых экзопланет, которые представляли собой «горячие Юпитеры»: Kepler-4b, Kepler-5b, Kepler-6b, Kepler-7b и Kepler-8b. Планеты такого типа обычно расположены гораздо ближе к звезде, вокруг которой вращаются, чем Юпитер по отношению к Солнцу, а потому имеют более высокие температуры — порядка 700–1200 °С. Примерно в это же время вышли из строя два фоточувствительных модуля фотометра, из-за чего поле обзора телескопа уменьшилось на 5%. В следующем году ученые сообщили о том, что Kepler нашел самую маленькую из всех известных на тот момент экзопланет — Kepler-10b, радиус которой лишь в 1,42 раза превышает земной. Кроме того, телескоп зафиксировал первую в истории суперземлю — планету, превышающую нашу по массе, но находящуюся в так называемой обитаемой зоне, то есть в условиях, похожих на земные.Обнаруженные телескопом планеты в обитаемой зоне. NASA Ames/W StenzelВ 2012 году Kepler должен был завершить свою работу на орбите, но NASA продлило миссию до 2016 года, и успешные поиски продолжились. За последующее время работы телескопа периодически возникали технические сложности: сначала вышел из строя двигатель-маховик, обеспечивающий ориентацию аппарата в пространстве, затем гироскопы. После этого Kepler пришлось перевести в топливосберегающий режим (Point Rest State), в котором он мог работать еще довольно долго — от нескольких месяцев до нескольких лет. Впоследствии компенсировать поломку удалось, стабилизируя телескоп с помощью давления солнечного ветра.К 2015 году число подтвержденных экзопланет, открытых телескопом Kepler, превысило тысячу. Из них как минимум две были подобны Земле и находились в обитаемой зоне. При этом с каждым годом работы каталог планет-кандидатов стремительно расширялся: например, в 2015 году в него входило на 521 потенциальную экзопланету больше, чем годом ранее.В 2018 году NASA сообщило о завершении миссии телескопа Kepler, поскольку запасы топлива, которые были необходимы для позиционирования аппарата, подходили к концу. 15 ноября — в день смерти Иоганна Кеплера — все системы телескопа были отключены.Результаты миссии KeplerЗа весь период работы на орбите — а это более девяти лет — Kepler обнаружил 2245 подтвержденных экзопланет и более 2000 кандидатов. Но значение телескопа невозможно свести только к поиску экзопланет, ведь он позволил расширить научные знания о различных типах звездных систем, в том числе открыть новые двойные звезды, а также наблюдать за взрывом сверхновой. Огромный массив данных, которые получили ученые с помощью Kepler, предстоит анализировать еще не один год.На смену телескопу Kepler пришел TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite), который работает на орбите с 2018. Задача миссии остается неизменной — поиск экзопланет земного типа, расположенных в обитаемой зоне. Согласно планам миссии, данные с телескопа TESS будут использоваться для дальнейших исследований, которые предстоит выполнить новым космическим телескопам, в том числе James Webb, о котором мы расскажем в последующих материалах цикла.Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Facebook и Twitter.