Солнечная система издалека

[vika vorobyeva]

Давно хотела завести эту тему, но все руки не доходили.

К сожалению, многие посетители форума крайне туманно представляют себе работу экзопланетных астрономов и реальные возможности современных методов и инструментов. Отсюда возникают требования немедленно представить вторую Землю или вторую Солнечную систему (а раз они не открыты, то их типа не существует). В этой теме я предлагаю рассмотреть, как будет выглядеть наша Солнечная система при наблюдениях современными средствами с разных расстояний, и какими методами какие планеты возможно открыть. Исторический взгляд на этот вопрос тоже приветствуется.

Начну с метода измерения лучевых скоростей.
Итак, Солнце - сравнительно хромосферно тихий одиночный G-карлик среднего возраста. Его абсолютная звездная величина (грубо) +4.8, звездой именно такой звездной величины оно будет выглядеть с расстояния 10 пк. На расстоянии 100 пк видимая звездная величина Солнца увеличится до +9.8, на расстоянии 1000 пк - до +14.8 (в пренебрежении межзвездным поглощением света, которым на расстояниях ~1 кпк пренебрегать уже нельзя).
Юпитер наводит на Солнце колебания лучевой скорости с амплитудой ~13 м/сек с периодом 11.9 лет, Сатурн ~3 м/сек с периодом 29.4 лет. Все внутренние планеты (Меркурий, Венера, Земля и Марс) наводят лучевую скорость меньше 10 см/сек. Замечу, что эти амплитуды лучевой скорости будут достигнуты только при удачном расположении внеземного наблюдателя примерно в плоскости эклиптики, в противном случае их надо умножать на величину sin i, где i - наклонение плоскости эклиптики относительно наблюдателя.
Лучшие современные спектрографы измеряют лучевую скорость звезд с точностью ~1 м/сек (в некоторых наиболее удачных случаях очень спокойных К-звезд - 0.6-0.8 м/сек).
Отсюда немедленно следует, что:
- планеты земной группы в Солнечной системе RV-методом обнаружить невозможно,
- наблюдательная программа, рассчитанная на 10 лет и достигшая точности 1 м/сек, Юпитер, скорее всего, обнаружит, но его видимый эксцентриситет орбиты окажется завышенным из-за влияния Сатурна, которое за 10 лет наблюдений отделить не удастся,
- потребуется как минимум 30 лет наблюдений с точностью 1 м/сек, чтобы разделить влияние Юпитера и Сатурна на лучевую скорость Солнца и убедиться, что вокруг Солнца вращается не один гигант на эллиптической орбите, а два гиганта на почти круговых орбитах.
Для обнаружения RV-методом Урана и Нептуна требуются наблюдательные программы продолжительностью более 100 лет (чего мы сейчас явно не имеем).
Вывод - "с точки зрения метода лучевых скоростей" в Солнечной системе есть две планеты-гиганта. Причем для аккуратного разделения их влияния на Солнце требуются наблюдательные программы продолжительностью не менее 30 лет. Для более коротких программ в Солнечной системе есть всего одна планета-гигант на широкой слегка эллиптической орбите.

Продолжение следует.

[Foma]

Интересно можно спектры поглощения получить не при проходе перед своим светилом, а пересекаясь с другими звездами?

Планета маленькая, а космос очень большой. И если вероятность транзита по диску своей звезды пропорциональна R/a (и то эта величина мала, особенно для долгопериодических планет), то какова вероятность для планеты пройти по диску фоновой звезды? С тем еще, чтобы эта звезда была достаточно яркой?
Ну и транзиты случаются каждый орбитальный период, а возможное прохождение по диску фоновой звезды случится только один раз. Так что я не сказала бы, что это удачная идея.

Тем не менее прохождения объектов по дискам фоновых звезд известны. Впервые с этим столкнулись при поисках микролинзирования.  Если объект-линза проходит на очень малом угловом расстоянии от звезды-источника,  он по разному увеличивает разные участки ее диска (имеющие разную яркость из-за потемнения лимба), что сказывается на кривой линзирования - так называемые finite-source effects. Первым подобным случаем стало событие MACHO Alert 95-30 (arXiv:9702199), когда звезда массой 0.53 M_sun прошла непосредственно по диску красного гиганта радиусом 60 R_sun. Прицельный параметр составил θ_min/θ_source=0.715.


Кривая блеска MACHO Alert 95-30 и схема события. У линзы пунктиром показан радиус кольца Эйнштейна.

С тех пор открыты десятки таких событий и некоторые из них связаны с планетами. Например рекордно короткое событие линзирования OGLE-2016-BLG-1928 продолжительностью всего 41 минуту (arXiv:2009.12377), вызванное блуждающей планетой земной массы, у него было θ_min/θ_source~0.3. Или событие MOA-9y-5919 с t_E~1.4 часа  (arXiv:2303.08279) - тоже планета земного типа, прошедшая по диску G7 звезды.

[vika vorobyeva]

Тем не менее прохождения объектов по дискам фоновых звезд известны.

Это справедливое замечание. Однако, насколько я понимаю, в этом случае гравитационное поле объекта-линзы (в приведенных случаях – планеты) лишь усиливает свет объекта-источника, не внося ничего своего. MenFrame говорит о другом – о возможности регистрации света фоновой звезды, прошедшей сквозь атмосферу объекта-линзы, т.е. о трансмиссионной спектроскопии планеты в лучах фоновой звезды. Мне этот вариант по-прежнему видится мало реальным из-за огромной разницы в количестве фотонов, прошедших сквозь атмосферу планеты от ее родительской звезды и от фоновой звезды.
Что до изучения ближайших потенциально обитаемых не транзитных планет, то тут нужны методы получения прямых изображений, т.е. коронографы всех мастей.

[Maki]

https://nplus1.ru/news/2024/02/29/earth-as-exoplanet

Астрономы при помощи зонда «Галилео» обнаружили на Земле признаки наличия континентов и океанов, а также нашли кислород в атмосфере планеты. Подобные исследования важны для правильной интерпретации будущих прямых и спектральных наблюдений за экзоземлями, в том числе потенциально обитаемыми. Препринт работы доступен на arXiv.org.