Научные задачи продленной миссии космического инфракрасного телескопа Спитцер и

za_neptunie — 14.10.2017

    В следующем году предстоит запуск в космос 6.5-метрового космического инфракрасного телескопа JWST. Этот проект обладает огромной стоимостью (около 10 миллиардов долларов), поэтому в NASA планируют сократить число работающих космических телескопов за счет выключения старых телескопов. Так на март 2019 года (время, когда JWST начнет первые наблюдения из второй точки Лагранжа) планируется выключение инфракрасного телескопа Спитцер (запущен в 2003 году), который сейчас работает на гелиоцентрической орбите. В то же время космический телескоп Спитцер по прежнему находится в хорошем техническом состоянии при сравнительно небольших (по сравнению с JWST) эксплуатационных расходах (в 2017 году они составляют 15.25 миллионов долларов в год). К примеру, космический телескоп является труднозаменимым при поисках транзитов экзопланет: его 21-суточные наблюдения системы TRAPPIST-1 позволили доказать, что там находится как минимум 7 транзитных планет. Кроме того наблюдения телескопа смогли впервые обнаружить транзиты близких экзопланет у очень ярких звезд: 55 Рака e (наряду с другим космическим телескопом MOST) и HD 219134 b и с. В дополнение телескоп смог впервые обнаружить транзитную конфигурацию у юпитера HD 80606 b с эллиптической орбитой (через регистрацию вторичного затмения).

   В связи с этим недавно научное сообщество опубликовало в Архив.орг свои предложения по продолжению работы телескопа Спитцер до декабря 2020 года.

   Предложения рассматривают научное применение телескопа по следующим разделам:


1) Открытия и исследования экзопланет



  По этому направлению предлагается продолжить отслеживание транзитов семи планет системы TRAPPIST-1 (тайминг транзитов) для более точного измерения массы планет (с точностью лучше 10%). Другие космические телескопы (к примеру, TESS и CHEOPS) не способны выполнить подобные наблюдения из-за меньшего диаметра телескопов. Эти измерения позволят улучшить интерпретацию спектроскопии JWST (на данный момент запланированы наблюдения 5 из 7 планет системы). Кроме того телескоп может продолжить исследования по подтверждению открытий космических телескопов Кеплер и TESS для отбора наиболее интересных целей для наблюдений JWST. После скорого завершения работы телескопа Кеплер (по причине истощения запасов топлива для двигателей микроориентации), Спитцер останется единственным космическим телескопом способным измерять параллаксы событий микролинзирования (к настоящему времени телескоп выполнил подобные измерения примерно для 500 событий микролинзирования). Последний момент позволит составить карту распределения планетных систем в галактике (ожидается, что к 2019 году количество планетных систем с подобными измерениями вырастет до 12). Даже небольшое количество подобных планетных систем позволяет сделать вывод, что планеты в Балдже галактики более редки, чем планеты в диске галактики (на статистическом уровне доверия в 95%).



Транзиты планеты К2-18b, которые наблюдались космическими телескопами Кеплер и Спитцер. Наблюдения второго космического телескопа позволили измерить радиус планеты в 10 раз точнее.


2) Исследование околоземных астероидов



Распределение абсолютных величин околоземных астероидов из трех крупнейших обзоров Спитцера. К примеру, абсолютные звездные величины 17.5, 20.0 и 22.5 соответствуют приблизительному размеру астероидов в 1000, 300 и 100 метров соответственно.

   По этому направлению к настоящему времени телескоп пронаблюдал около 2 тысяч околоземных астероидов (15% от их общего числа). Инфракрасные наблюдения позволяют оценить размеры околоземных астероидов. В ходе расширенной миссии телескоп может наблюдать по 250 околоземных астероидов каждый год (это количество может быть увеличено на 20% для наблюдения новых открытий околоземных астероидов). Новые наблюдения Спитцера позволят удержать долю околоземных астероидов с существующими инфракрасными наблюдениями в районе 10%. Кроме того большим плюсом телескопа является удаленность от Земли: в связи с этим он может наблюдать околоземные астероиды, которые сблизились с Землей. Для сравнения телескоп JWST из околоземного пространства не может наблюдать околоземные астероиды со скоростью движения больше 30 угловых миллисекунд в секунду.



Диаметры и альбедо околоземных астероидов, которые наблюдал Спитцер к этому времени

3) Исследование близких звезд и коричневых карликов

   По этому направлению планируется продолжение определения тригонометрических расстояний до близких коричневых карликов (что позволит уточнить функцию масс в галактике), исследование атмосфер газовых гигантов, а также поиск новых потенциально обитаемых планет у красных карликов. Кроме того ожидается, что телескоп может попытаться открыть новые близкие коричневые карлики, которые холоднее нынешнего рекорда (250 Кельвинов). Последнее направление связано с двумя моментами:

1)      Фотографирование окрестностей (в радиусе 0.1 парсек) всех A, F, G, K звезд и белых карликов ближе 8 парсек (их общее число равно 52). У подобных массивных объектов радиус сферы Хилла составляет около 20 тысяч а.е.. Такой обзор потребует 700 часов наблюдений (по 350 часов на каждую эпоху). Обзор будет обладать чувствительностью, которая способна зарегистрировать самый холодный известный коричневый карлик WISE 0855−0714 (яркость на втором фильтре Спитцера (длина волны 4.5 микрон) 17.1 звездных величин) с SNR=30. Для подобного обзора будет достаточно 30-секундных экспозиций. Новый обзор сможет обнаружить объекты (с хорошо известным возрастом и расстоянием), которые занимают промежуточное положение между Юпитером (температура 124 Кельвинов) и самым холодным известным коричневым карликом WISE 0855−0714 (температура 250 Кельвинов). Отмечается, что к этому времени эпизодические поиски в окрестностях близких звезд привели к открытию одного из самых холодных коричневых карликов WD 0806−661B (расстояние 19.2 парсек, температура 300-345 Кельвинов). На схеме ниже показаны окрестности белого карлика WD 0806−661. Малиновым цветом выделена область, которая покрыта снимками Спитцера, а черный круг обозначает область сферы Хилла.



2)      Самый холодный известный коричневый карлик WISE 0855−0714 был обнаружен на снимках обзора WISE. Яркость WISE 0855−0714 примерно на две звездных величины больше предельной чувствительности этого обзора WISE. В связи с этим предполагается, что в данных обзора WISE должно находиться ещё 15(+20-11) подобных объектов. Эти объекты практически не видны во втором фильтре обзора, поэтому их можно обнаружить только в первом фильтре обзора (его длина волны близка к линии излучения метана). В результате этого более тусклые аналоги WISE 0855−0714 можно найти лишь сравнивая снимки обзора за разные годы (у подобных объектов большое собственное движение – на уровне нескольких угловых секунд в год). В настоящее время поиском таких объектов на снимках WISE занимается проект CatWISE (Peter Eisenhardt, PI). В случае обнаружения кандидатов в такие объекты помощь Спитцера будет практически незаменима (наземные телескопы с трудом могут обнаружить WISE 0855−0714, не говоря о более тусклых объектах).


4) Исследование галактики

   Прошлые наблюдения (обзоры GLIMPSE и MIPSGAL галактической плоскости) позволили изучить более 8 тысяч областей звездообразования в нашей галактике. Повторные наблюдения позволят изучить собственные движения многих миллионов звезд в плотных звездных полях, что дополнит астрометрический обзор GAIA.

5) Рождение и эволюция галактик

   По этому направлению предлагается продолжать большие (несколько сотен квадратных градусов) и глубокие обзоры неба для изучения первых галактик. Получасовые экспозиции позволяют получать чувствительность снимков до АВ=24 звездной величины (на уровне 5 сигм), что на несколько магнитуд больше, чем было получено в обзоре WISE. Временные затраты на такой обзор составляют около 9 тысяч часов космического телескопа. Такой обзор отобразит миллионы галактик с сотнями тысяч галактик с активными ядрами в объеме равном нескольким десяткам миллиардов кубических парсек.



   На схеме выше показаны все внегалактические обзоры Спитцера. Черным цветом показаны уже осуществленные обзоры, красным цветом планируемые обзоры с помощью наземного телескопа SPT (South Pole Telescope). Круги и квадраты обозначают чувствительность обзоров в рамках холодной и теплой миссии космического телескопа. Заполненные черные квадраты обозначают обзоры с вычисленной чувствительностью с симуляции.

  В дополнение стоит привести несколько технических схем из свежей публикации:





  Из последней схемы следует, что проблемы со связью ожидаются лишь к 2025 году, когда космический телескоп окажется за Солнцем для земного наблюдателя.

   В то же время космический телескоп продолжает обычные научные наблюдения. 10 октября стало известно об итогах второго распределения 500 часов директорского резерва в 2017 году:




   По итогам распределения большего всего наблюдательного времени было выделено на экзопланетную тематику:






   Список интересных утвержденных программ:

1)      Измерение скорости ветра у коричневого карлика 2MASS J10475385+2124234 (14.6 часов)

   Коричневый карлик 2MASS J1047+21 является самым холодным коричневым карликом, у которого обнаружено радиоизлучение (его период составляет 1.77 часов). В 13 цикле Спитцер зарегистрировал переменность у этого объекта и в инфракрасном диапазоне. Новые наблюдения на длине волны в 4.5 микрон должны уточнить атмосферную динамику этого объекта.

2)      Молодая трехпланетная система в Гиадах (18.5 часов)

   Скорее всего, речь идет о недавно опубликованной планетной системе у звезды EPIC 24758942 (она же LP 358-348):



   Открытие было сделано на 13-ом поле продленной миссии телескопа Кеплер (наблюдалось с 8 марта по 27 мая 2017 года). Звезда новой планетной системы является достаточно изученной. Так для нее в прошлом было сделано несколько измерений лучевой скорости с достаточно высокой точностью:




   Наблюдения Спитцера должны уточнить эфемериды планет, чтобы JWST смог провести в будущем спектроскопию этих планет.

3)   Подготовка Глизе 436b к наблюдениям на JWST (68.8 часов)

   Планета Глизе 436b является уникальной по причине того, что это единственный на сегодняшний день экзонептун с измеренной температурой (через наблюдение вторичного затмения). Более того, возможно, это ближайший (12 парсек) транзитный экзонептун из всех существующих. К настоящему времени Спитцер провел 19 наблюдений вторичных затмений планеты. Эти наблюдения показали, что атмосфера планеты богата металлами и является очень динамичной. В тоже время теоретические модели не могут объяснить наблюдаемый спектр дневной стороны планеты. В связи с этим новые наблюдения на Спитцере должны получить фазовую кривую планеты на длине волны в 3.6 микрон (ранее на этом же космическом телескопе была получена фазовая кривая на длине в 8.0 микрон). В результате этого будет получен первый спектр ночной стороны экзонепнута. После этого на JWST будет получен дневной спектр этой планеты, что позволит внести больше ясности в понимании атмосферы планеты.
   Кроме того новые наблюдения Спитцера позволят проверить существование второй транзитной планеты в системе Глизе 436. Предполагаемый размер этой гипотетической планеты меньше размера Земли, поэтому эта планета в случае подтверждения также станет идеальной целью для наблюдений на JWST.


4)   Наблюдение вторичного затмения субсатурна KELT-11b (15 часов)

KELT-11b является уникальной экзопланетой, у которой масса меньше массы Сатурна, а радиус больше радиуса Юпитера. Планета обращается вокруг яркого субгиганта, который богат металлами. Наблюдения на Спитцере на длине волны в 4.5 микрон должны обнаружить вторичное затмение планеты. Это позволит определить температуру планеты, а также эксцентриситет её орбиты. Наблюдения на Спитцере дополнят транзитную спектроскопию, которая будет получена с помощью телескопа Хаббла и камеры WFC3. Вероятно, в ближайшем будущем вторичное затмение планеты пронаблюдает и телескоп Хаббл.

5)   Фотометрия рекордно далекого квазара ULAS J1342+0928 с z=7.54 (3.5 часов)

   Недавно стало известно о том, что был побит 6-летний рекорд самого далекого квазара. Высокая светимость квазара говорит о том, что в его центре находится сверхмассивная черная дыра массой около 100 миллионов масс Солнца. Образование такой массивной черной дыры всего через 690 миллионов лет после Большого взрыва доказывает очень бурное формирование первых звезд и галактик во Вселенной. Наблюдения Спитцера дополнят наблюдения других крупнейших телескопов (HST, IRAM/NOEMA, ALMA и т.д.). В будущем рекордный квазар пронаблюдают и на JWST.




   В следующем году запланировано еще более крупное распределение наблюдательного времени на космическом телескопе:

Оставить комментарий

Популярные посты:

• Ранее
• Архив