Проксима Центавра и две ее планеты

Оригинал: Proxima Centauri and Its Two Planets

Проксима Центавра, находящаяся на расстоянии 4,2 световых года, является ближайшей к Земле звездой после Солнца. По этой причине красный карлик - идеальная цель для поиска экзопланет. Проксима b, планета земной массы, открытая в 2016 году, недавно присоединилась к новому кандидату в планету Проксима c, более похожему на Уран и Нептун. Необычная яркость прямых изображений, полученных с помощью Very Large Telescope ESO, заставляет астрономов думать, что Проксима c окружена обширной системой колец.

Проксима Центавра

Проксима Центавра - ближайшая к Солнечной системе звезда. Об этом свидетельствует ее угол параллакса, который, по измерениям спутника Gaia, составляет 0,768 тысячных доли угловой секунды. Чтобы быть точным, это крошечный угол: вам нужно около 4,7 миллиона таких размеров, чтобы образовался угол всего в 1 градус. Но это самый большой угол параллакса, образованный любой звездой, видимой с Земли. Отсюда мы получаем расстояние «всего» 1,301 парсека или 4,244 световых года, то есть чуть более 40 000 миллиардов километров. Это почти в 270 000 раз больше расстояния между Землей и Солнцем, но с астрономической точки зрения это очень мало. По этой причине ее называют Проксима, латинское слово, которое означает «ближайшая», то есть ближайшая из всех звезд (кроме Солнца).

Маленький красный карлик, принадлежащий к спектральному классу M5.5, является третьим и самым слабым членом тройной системы Альфа Центавра. Он вращается вокруг двух главных звезд системы, которые похожи на Солнце, описывая очень длинный эллипс, который она проходит примерно за 547 000 лет. Проксима в настоящее время находится близко к апастру своей орбиты, то есть к точке максимального удаления от барицентра системы, где ее расстояние от двух центральных звезд достигнет примерно 13 000 астрономических единиц.

Большой эллипс, описанный Проксимой Центавра вокруг Альфы Центавра A и B. Числа указывают на тысячи лет, начиная с текущего положения, необходимого Проксиме для перемещения по своей орбите [ESO]

Как и положено красному карлику, Проксима намного меньше и менее ярка, чем Солнце. Масса и радиус составляют 12% и 15% от солнечных значений соответственно. Эффективная температура составляет около 3000 К. Болометрическая светимость, которая эквивалентна энергии 5,8 × 10²³ Вт, составляет всего 0,15% светимости Солнца. Но излучение Проксимы смещено в сторону красного края спектра по сравнению с солнечным. Отсюда следует, что в видимом свете яркость красного карлика еще ниже, и составляет всего 0,005% солнечной светимости. Но в одном Проксима превосходит нашу звезду: в возрасте. Ее возраст оценивается в 4,8 миллиарда лет, что примерно на 200 миллионов лет старше Солнца. Но красные карлики потребляют свой запас ядерного водорода с очень низкой скоростью, поэтому ее жизнь (то есть нахождение на так называемой главной последовательности), так сказать, только началась, а Солнце уже является звездой среднего возраста.

Самая яркая звезда, видимая на изображении, - Проксима Центавра, наблюдаемая в октябре 2012 года с помощью космического телескопа Хаббл [НАСА, ЕКА, К. Саху, Дж. Андерсон, Х. Бонд, М. Доминик]

Проксима b

Из-за своей близости Проксима Центавра долгое время была целью поиска экзопланет. К сожалению, фотометрические наблюдения не дали ожидаемых результатов. Кажется, что ни одна планета не проходит перед диском красного карлика. После этого исследования с использованием метода лучевых скоростей дали захватывающие результаты. В 2016 году было объявлено об открытии Проксимы b, планеты земной массы, находящейся на близкой орбите вокруг звезды, идентифицированной именно по колебаниям лучевой скорости Проксимы.

Фактическая масса Проксимы b неизвестна, так как нам неизвестен наклон ее орбиты по отношению к нашей точке обзора. Однако мы знаем, что ее минимальная масса равна 1,27 массы Земли. Статистический анализ также показывает, что существует 90%-ная вероятность того, что фактическая масса планеты меньше трех масс Земли. Радиус Проксимы b также неизвестен, поскольку планета не проходит мимо звезды.

Большая полуось орбиты составляет всего 0,0485 астрономических единиц, то есть 7,25 миллиона км. Следовательно, орбитальное расстояние Проксимы b от звезды более чем в 20 раз меньше того, которое отделяет Землю от Солнца. Вот почему год на этой планете длится всего 11,2 земных дня. Несмотря на то, что планета очень близка к красному карлику, она все же находится в обитаемой зоне Проксимы Центавра, то есть в пределах пояса, где возможно существование жидкой воды.

Конечно, мы не знаем, действительно ли Proxima b содержит жидкую воду. Поскольку нам неизвестен радиус планеты, в настоящее время мы даже не знаем, скалистая это планета с твердой поверхностью, такая как Земля, или планета типа Нептуна, покрытая толстой атмосферой, богатой водородом и гелием. Что мы действительно знаем, так это то, что излучение Проксимы b равно 877 ± 44 Вт/м², что соответствует 64% лучистой энергии, которую Солнце изливает на Землю в верхней части атмосферы. Однако эти, казалось бы, благоприятные условия для жизни уравновешиваются потоком высокоэнергетического излучения - рентгеновских лучей и ультрафиолетовых лучей - которым Проксима Центавра наделяет планету, в 0,293 Вт/м². Это почти в 60 раз больше, чем Земля получает от Солнца.

Сравнение распределения лучистой энергии Проксимы Центавра, полученной Проксимой b в верхней части атмосферы (черная линия), по сравнению с распределением энергии, которую Земля получает от Солнца (красная линия). Как видно, пик излучения Проксимы b смещен в красную сторону, то есть в сторону более длинных волн, по сравнению с Землей. Из графика также видно, что Проксима b получает гораздо более высокую дозу рентгеновских лучей и ультрафиолета, чем Земля [A&A 603, A58 (2017)]

Проксима с

Однако на орбите красного карлика, похоже, есть не только Проксима b. В статье, опубликованной в январе 2020 года в журнале Science Advances, было объявлено об открытии нового кандидата на планету, идентифицированного путем анализа приблизительно 17-летних измерений лучевой скорости Проксимы Центавра.

Проксима с, как нового кандидата назвали в соответствии с принятой терминологией, движется по гораздо более широкой орбите, чем другая планета. Большая полуось ее орбиты имеет размер 1,48 ± 0,08 астрономических единиц, что примерно соответствует среднему расстоянию от Марса до Солнца. Однако орбитальный период, равный примерно 1900 дней (т.е. 5,2 земных года), намного больше, чем у Марса. Равновесная температура составляет всего 39 К: фактически планета находится далеко за снежной линией Проксимы Центавра. Проксима c имеет минимальную массу 5,8 ± 1,9 массы Земли. Радиус планеты, так как нет видимых транзитов с Земли, неизвестен, как и в случае с Проксимой b.

Именно из-за отсутствия транзитов получить независимое подтверждение фактического существования кандидата на новую планету отнюдь не легко. Однако были собраны некоторые очень многообещающие аргументы в пользу ее существования.

Схематическое изображение распределения пыли вокруг Проксимы Центавра, основанное на наблюдениях, сделанных с помощью ALMA на длине волны 1,3 мм. Число 1 указывает положение Проксимы b, число 3 - положение неизвестного источника, потенциально соответствующего Проксиме c, расположенного на расстоянии 1,6 астрономических единиц от звезды [Guillem Anglada et al 2017 ApJL 850 L6]

Первый возникает в результате наблюдения Проксимы Центавра и ее окрестностей с помощью интерферометра ALMA. Результаты сообщаются в исследовании, опубликованном в ноябре 2017 года, перед объявлением об открытии Proxima c. Наблюдая с помощью ALMA область вокруг Проксимы Центавра на длине волны 1,3 мм, авторы статьи описывают наличие компактного объекта, расположенного примерно в 1,2 угловых секунды к юго-востоку от звезды. Одна из возможных интерпретаций заключается в том, что наблюдаемый объект представляет собой пылевой диск, вращающийся вокруг еще не идентифицированной газовой планеты, расположенной на расстоянии около 1,6 астрономических единиц от Проксимы Центавра. Удаление от звезды объекта, видимого ALMA, очень хорошо соответствует орбитальному расстоянию Проксимы c.

Еще один убедительный довод в пользу существования этой второй планеты дается в другой статье, опубликованной 2 апреля 2020 года в журнале Astronomy & Astrophysics. Авторы использовали почти четверть века астрометрических измерений положения Проксимы Центавра, чтобы проверить, есть ли аномалии в собственном движении звезды, совместимые с гравитационным притяжением, оказываемым Проксимой c. Аномалии действительно были обнаружены и согласуются с присутствием планеты с орбитальным периодом Проксимы c.

Из проанализированных астрометрических данных можно сделать вывод, что планета имеет массу в диапазоне от 7 до 24 масс Земли с предпочтительным значением 12 масс Земли. Поэтому очень вероятно, что это планета, похожая на Уран и Нептун. Авторы третьей статьи, опубликованной 1 апреля, пришли к аналогичным результатам. Согласно их расчетам, аномалия в собственном движении Проксимы Центавра, полученная на основе проанализированных астрометрических данных, предполагает наличие планеты с массой 18 ± 5 масс Земли. С публикацией третьего каталога астрометрического спутника Gaia, ожидаемого в третьем квартале этого года, можно будет дополнительно уточнить эти значения, получив более низкий предел неопределенности в отношении массы планеты и более точные параметры орбиты.

Пунктирный кружок представляет собой орбиту Проксимы c, выведенную из возмущений собственного движения Проксимы Центавра, вызванных притяжением планеты. Измерения основаны на наблюдениях, сделанных с помощью телескопа Хаббл. На верхней панели представлены параметры орбиты Проксимы c; в правом нижнем углу - угол параллакса и собственное движение Проксимы Центавра, полученные на основе данных, полученных с помощью телескопа Хаббл. Гравитация Проксимы c вызывает у звезды изменение лучевой скорости на 1,2 метра в секунду  [G. Fritz Benedict, Barbara E. McArthur 2020 Res. Notes AAS 4 46]

Редкий случай прямого изображения

Однако наиболее конкретная подсказка в пользу реального существования Проксимы c исходит из другого источника и по своей природе более убедительна, чем вычисления, основанные на измерениях лучевой скорости и собственного движения: прямое изображение планеты.

Возможность увидеть внесолнечную планету в телескоп - редкое и сложное мероприятие, потому что отражаемый ею звездный свет в миллионы или даже миллиарды раз менее интенсивен, чем прямой свет, излучаемый звездой, вокруг которой она вращается. Поэтому сначала нужно замаскировать звезду и непосредственно окружающие ее блики. Это исключает возможность прямого наблюдения планет, расположенных слишком близко к своей звезде, таких как Проксима b. К счастью, в случае Проксимы с сочетаются два благоприятных обстоятельства: 1) планета вращается достаточно далеко от звезды и 2) Проксима Центавра - самая близкая к Солнечной системе звезда. Благодаря этим двум факторам Проксима c достигает в квадратуре углового расстояния более одной угловой секунды от красного карлика, достаточного для того, чтобы увидеть его в достаточно мощный телескоп, должным образом замаскировав звездный свет.

Таким образом, как только было объявлено об открытии планеты-кандидата, группа исследователей во главе с итальянским астрономом Раффаэле Граттоном решила провести поиск в архивных изображениях Проксимы Центавра, полученных в ближнем инфракрасном диапазоне с помощью инструмента SPHERE программы ESO Very Large Телескоп. Результаты были опубликованы на arXiv.org 14 апреля в ожидании официальной публикации в рецензируемом журнале Astronomy & Astrophysics.

Два изображения, полученные с помощью SPHERE в 2019 году. Положение вероятного оптического аналога Проксимы c обозначено красным кружком. Нижняя цветовая шкала представляет соотношение сигнал/шум в изображениях. Белый цвет соответствует максимальной четкости сигнала. Другие объекты, видимые на двух изображениях, - это звезды на заднем плане [arXiv: 2004.06685v1]

Граттон и его коллеги действительно обнаружили на изображениях SPHERE объект, который имеет хорошие шансы быть оптическим аналогом Проксимы c. Источник имеет отношение сигнал/шум 6,1, и авторы подсчитали, что вероятность того, что это ложноположительный результат, составляет менее 1%. Однако для подтверждения того, что объект действительно является Проксимой c, потребуются другие наблюдения, которые в настоящее время невозможны из-за чрезвычайной ситуации во всем мире, вызванной коронавирусом. Если идентификация на изображениях SPHERE будет подтверждена, это будет первый случай обнаружения экзопланеты с помощью метода лучевых скоростей, а затем подтверждения с помощью прямого изображения.

Сдвиг положения предполагаемой планеты на изображениях из разных эпох позволил астрономам уточнить параметры орбиты Проксимы c, предоставив два разных решения, оба правдоподобных: одно для круговой орбиты, а другое - для эллиптической. Из этих двух орбитальных решений также получены новые значения массы планеты. В случае круговой орбиты с наклоном 120° масса будет 7,2 ± 2,2 массы Земли. В случае эллиптической орбиты с наклоном 137,3° масса будет 8,6 ± 2,8 массы Земли.

Две возможные орбиты Проксимы c получены из смещений планеты-кандидата, видимой на изображениях SPHERE, полученных в разные эпохи. Орбита слева эллиптическая, орбита справа круговая (очевидное сглаживание зависит от точки зрения, с которой мы наблюдаем ее с Земли) [arXiv: 2004.06685v1]

Положение планеты-кандидата на изображениях SPHERE также кажется совместимым, в пределах неопределенности, с положением объекта, идентифицированного в миллиметровом диапазоне с помощью ALMA.

Что на данный момент вообще не имеет смысла и что делает невозможным подтверждение существования планеты на основе только этих изображений, так это яркость наблюдаемого объекта. Она определенно слишком яркая, чтобы быть планетой с массой около дюжины масс Земли. Ее светимость сопоставима со светимостью сверхгигантской планеты с радиусом примерно в пять раз больше, чем у Юпитера. Однако несоответствие могло бы быть согласовано, если бы Проксима c была окружена обширной системой колец, подобной системе Сатурна. Тогда высокая яркость, видимая на изображениях SPHERE, может быть связана с отражением звездного света от колец. Но насколько вероятен такой сценарий? Честно говоря, не слишком вероятен. Как уже упоминалось, потребуются новые и целенаправленные наблюдения, чтобы попытаться узнать больше.

В любом случае планетная система Проксима Центавра, вероятно, станет обязательным местом проведения первых миссий по исследованию межзвездного пространства, которые могут начаться в течение нескольких десятилетий, если какие-то амбициозные проекты будут развиваться в соответствии с ожиданиями.

Графическая симуляция Проксимы Центавра и двух планет, обнаруженных методом лучевых скоростей. Размер и внешний вид планет являются воображаемыми, хотя основаны на правдоподобных значениях их соответствующих масс [Микеле Диодати]