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.

[vika vorobyeva]

Курильщик за флуд и оффтопик получает 30%.
Я предупреждала.

Upd За оспаривание решения модератора в общем форуме - еще 30% *зевая*

[vika vorobyeva]

В таком случае непонятно, при чём тут "Солнечная система издалека".
Ни Кеплер, ни Гайя наблюдать СС со стороны никогда не будут.

Представим себе точную копию Солнечной системы. Зададимся вопросом - как она будет выглядеть для наших инструментов и методов поиска экзопланет? (Что совершенно то же самое - представим себе копию нашей цивилизации, которая издалека пытается изучать нашу Солнечную систему современными средствами.)

Разумеется, второй Солнечной системы в природе не существует, как не существует двух совершенно одинаковых песчинок на пляже. Но такой мысленный эксперимент помогает осознать возможности и ограничения современных методов поиска экзопланет. В том числе отвечает на вопрос "ну и где вторые Земли?"

[vika vorobyeva]

Если же речь о перспективах обнаружения "земель" в иных системах, то как раз и целесообразно определиться с потребными параметрами инструментария, годного для сего дела. А не что бухгалтер разрешил.

О! *оживляясь* У Вас есть лишняя пара миллиардов долларов? Уже можно готовить презентацию космического телескопа? Оплатите?

За всех не скажу, но меня, например, несказанно огорчила бы ситуация, когда революционный прорыв выльется в банальную "охоту за астероидами". 
А по всему видно, к тому и идёт. 

Что такое "охота за астероидами" и чем она плоха?

[vika vorobyeva]

Чтобы не быть голословной, покопалась в таблице KOI вот отсюда:
http://planetquest.jpl.nasa.gov/kepler/table
Насколько я понимаю, самых последних из "досыпанных" кандидатов там еще нет.
Искала аналоги Венеры у G-звезд, не нашла ни одного.
Зато нашла штук 5 у К- и М-карликов.
KOI-2401.01 - радиус 1.15 земных, период 38 суток, эффективная температура планеты 333К, родительская звезда класса К.
KOI-2173.02 - радиус 1.22 земных, период 53.6 суток, эффективная температура планеты 351К, родительская звезда класса К (Т = 4666К).
KOI-2124.01 - радиус 1.02 земных, период 42.3 суток, эффективная температура планеты 300К, родительская звезда класса К (Т = 4103К).
KOI-1908.02 - радиус 1.05 земных, период 24.1 суток, эффективная температура планеты 363К, родительская звезда класса К (Т = 4174К).
KOI-2650.01 - радиус 1.26 земных, период 35 суток, эффективная температура планеты 299К, родительская звезда класса М (Т = 3900К).

Видимо, даже "Венеры" у G-звезд в данных Кеплера ищутся с трудом и, видимо, будут представлены позже, с обработкой всего массива полученных данных.

[vika vorobyeva]

Уважаемые участники дискуссии!
На всякий случай ЕЩЕ РАЗ поясню свою мысль.
Эта тема посвящена НЕ мечтам экзопланетчиков о прекрасных инструментах, НЕ их пожеланиям о будущих великих миссиях, а тому, что мы реально имеем на сегодняшний момент. Реально на сегодняшний момент RV-методом мы можем обнаружить аналоги Юпитера и Сатурна (последний - на пределе возможностей), а транзитным методом - аналоги Венеры (тоже на пределе возможного).
ВСЁ.
Это ответ тем товарищам, которые требуют "вторые Земли" на бочку здесь и сейчас.

Теперь можно обсудить, как эта ситуация может реально измениться за ближайшие годы. Но именно что РЕАЛЬНО. Гайя - реальна, и ESPRESSO реален, а вот вожделеемый многими (и мною, конечно, тоже) космический телескоп-интерферометр с диаметром зеркала 10 метров - увы, не реален.

Можно обсуждать, как "айсберг Солнечной системы" будет постепенно выплывать из тумана по мере ввода в строй различных инструментов и запуска различных миссий. Что сможет сделать JWST, E-VLT и другие УЖЕ ПРОФИНАНСИРОВАННЫЕ инструменты.

[vika vorobyeva]

Видимо, даже "Венеры" у G-звезд в данных Кеплера ищутся с трудом и, видимо, будут представлены позже, с обработкой всего массива полученных данных.

Так огромные погрешности в определение радиусов. Для уточнения радиусов планет необходимы детальные спектры звезд. Поэтому реальные аналоги Венер там вполне могут бьть.

Я почти уверена, что они там есть (где-то в недрах необработанных данных), но их еще надо вытаскивать, проверять на ложные позитивы, и пр. Пока нет (ну или я была недостаточно внимательна).

[vika vorobyeva]

У Венеры период 224 суток и радиус 0.8 земных.

Маленькая поправка - 0.95 земных.
(Радиус Венеры - 6052 км, Земли - 6378 км.)

[vika vorobyeva]

R=1.2+/-3.5 радиусов Земли.

Ещё кандидат KOI-2311.01 вращающийся вокруг похожей на Солнце звезды с 192-дневным периодом и R=1.3+/-0.63 радиусов Земли. Эффективная температура KOI-2311.01 - 310 K.

Погрешности, конечно, полный караул
"Я вижу не слишком ясно - мешает крутой наклон той крыши,
Может быть, это букашка, а может быть, это слон"(с) Б.Г.

Все-таки можно констатировать, что до "венер" с трудом дотянулись. На аналоги Земли у К-карликов тоже можно рассчитывать, но некоторым товарищам же ПОЛНЫЙ аналог подавай, чуть ли не строго у звезды G2 V!

[vika vorobyeva]

Насчет обнаружения двойников Земли, уже Вика подробно расписала, что это пустышка.

Если Вы внимательно прочитали всю эту тему, то, конечно, уже поняли, что речь идет о невозможности обнаружения двойников Земли исключительно СОВРЕМЕННЫМИ, уже имеющимися в наличии, средствами. Но наблюдательная техника быстро развивается, и порог обнаружимости постепенно дрейфует в сторону менее массивных и более долгопериодичных планет. Рано или поздно двойники Земли будут обнаружены, в этом нет никаких сомнений.

[vika vorobyeva]

Даже на взгляд видна двойная периодичность в 1100 и порядка 10000 дней (Земля и Юпитер)

Если бы Кеплер еще проработал эти 10000 дней 

[vika vorobyeva]

Дискуссия о сравнительных преимеществах наземных и космических телескопов перенесена в отдельную ветку.
В этой теме обсуждаются ТОЛЬКО возможность обнаружения различных планет Солнечной системы различными методами и инструментами.
Будьте внимательны.

[vika vorobyeva]

Сегодня в Архиве электронных препринтов появилась интересная статья:
http://arxiv.org/pdf/1402.0592.pdf

Группа товарищей наблюдала с помощью спектрографов HARPS и UVES лунное затмение 21 декабря 2010 года. Во время лунного затмения наблюдатель, находящийся на Луне, увидел бы, как Земля закрывает солнечный диск (т.е. увидел бы транзит Земли по диску Солнца). Соответственно, спектр солнечного света, преломившегося в атмосфере Земли и отразившегося от поверхности Луны, будет содержать признаки наличия газов из земной атмосферы.
Полученные данные анализировались тремя различными методами, предложенными для анализа трансмиссионных спектров экзопланет.
В результате в отраженном от Луны свете астрономы увидели признаки рэлеевского рассеяния в атмосфере Земли, а также полосы кислорода, озона и водяного пара (и еще натрий ).
Авторы статьи протестировали методы анализа трансмиссионных спектров и выбрали лучший (ближе всего отражающий реальность), а также пришли к выводу, что строящийся телескоп E-ELT будет способен обнаружить кислород, озон и водяной пар в спектре транзитного двойника Земли, удаленного не далее 10 пк.

[vika vorobyeva]

Друзья, давайте не будем здесь оффтопить. Тема посвящена условиям видимости двойника Солнечной системы наличествующими (или из самого ближайшего будущего) методами и инструментами, а не вероятности обнаружить в 10 пк транзитный аналог Земли.

[vika vorobyeva]

Предлагаю продолжить дискуссию о том, как быстро мы сможем обнаружить ближайшую потенциально обитаемую планету, и как быстро и надежно сможем проверить ее обитаемость, в соседней теме:
https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,96853.0.html

А здесь не оффтопить.

[vika vorobyeva]

Ну что ж, поскольку PLATO утвердили, включаем этот проект в рассмотрение

PLATO будет наблюдать два основных поля непрерывно в течение 3 лет и еще 7 полей - на протяжении от 2 до 5 месяцев. Обещают точность фотометрии 27 ppm для звезды 11 звездной величины за час экспозиции. Диапазон наблюдаемых звезд по блеску - от 4 до 11 звездных величин.
Это значит, что Венеру он ловит гарантированно (глубина транзита 76 ppm), орбитальный период 224.7 земных суток. В зависимости от везения можно будет увидеть 4-5 транзитов Венеры.
Землю, по идее, тоже ловит (глубина транзита 84 ppm), 3 транзита. А вот Марс - уже нет.
Звезда - копия Солнца - будет иметь видимую звездную величину +11 на расстоянии 174 пк. Соответственно, все, что ближе - все наше

На всякий случай напоминаю, что из-за заметного наклона орбит Венеры и Меркурия к эклиптике Солнечная система издалека выглядит однотранзитной (т.е. мы видим ИЛИ транзит Венеры, ИЛИ транзит Земли, но не оба транзита сразу - кроме редчайших случаев).

Upd И не забываем о геометрической вероятности транзитной конфигурации. Для Земли она 0.46%, для Венеры 0.64%.

[vika vorobyeva]

Вика, у меня идиотский вопрос, а когда же луны на краях транзита начнут находить? Для системы Земля-Луна это не менее 10%.

Ну, кольца планет и крупные спутники PLATO тоже обещает находить Посмотрим.

Если атмосфера прозрачная, то не сводит ли её эффект наблюдаемый диаметр такой планеты на дальнем расстоянии к нулям, давая фантастические плотности?

Это как?
У Земли высота атмосферы, условно, 100 км, что в сравнении с радиусом планеты (6378 км) совершенно ничтожная величина. Или Вы имеете в виду газовые планеты массой 2-3 земных с очень протяженной атмосферой? У них глубина транзита на разных длинах волн (где газ прозрачен и где не очень) действительно может отличаться чуть ли не на 10%. Но так, чтобы совсем до нуля?

[vika vorobyeva]

Постоянно читаю про Суперземли и Мининептуны - а они в данной статье отсутствуют. Не удостоились отдельного типа?

Вы правы, сетка типов за 13 лет устарела, и ее имеет смысл пересмотреть.
Немного погодя заведу тему (или откопаю старую), где можно будет обсудить новую сетку.

[vika vorobyeva]

Вы правы, сетка типов за 13 лет устарела, и ее имеет смысл пересмотреть.
Немного погодя заведу тему (или откопаю старую), где можно будет обсудить новую сетку.

Завели? Мне и тов. Dayan есть что сказать))

Можно поднять старую тему, посвященную сетке типов:
https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,27097.160.html

Я бы тоже кое-чего сказал бы.
Касательно сайта.

А сам сайт лучше обсуждать тут:
https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,10929.100.html

[vika vorobyeva]

Золотой город, есть хороший способ отличить Землю от Венеры.
Углекислый газ благодаря обилию полос в ИК диапазоне выступает как эффективный охладитель. Температура верхнего слоя мезосферы Венеры (95 км) – 165 К, температура термосферы – 300-400 К. При этом температура термосферы Земли может достигать 2000 К. В итоге корона из атомов кислорода вокруг Земли оказывается гораздо протяженнее, чем аналогичная корона вокруг Венеры. Если экзопланета, природу которой мы пытаемся определить, является транзитной, надо наблюдать транзиты этой планеты в ультрафиолетовой линии атомарного кислорода (например, триплета 130.2, 130.5 и 130.6 нм), причем делать это желательно подальше от Земли, например, из 2-й точки Лагранжа ("Хаббл" к несчастью сам погружен в кислородную корону Земли). Землеподобная планета даст в линии кислорода глубокий транзит, венероподобная планета – мелкий транзит.
Ну и если мы собрались туда лететь, то уж хорошие большие телескопы на орбите у нас точно есть, и мы в состоянии получить прямые изображения этой планеты, ее спектры, оценить поляризацию, даваемую облачным слоем и солнечным бликом на поверхности океана, и пр. Никто не полетит вслепую.

[vika vorobyeva]

Фильм "Интерстеллар" – ненаучная фантастика.
Хороший (качественный) спектр позволяет получать информацию о небесном теле из разных слоев.
В ультрафиолете расположены линии нейтральных и ионизированных атомов – соответственно, наблюдая в лучах с длиной волны, соответствующих этим линиям, мы видим самые внешние разреженные оболочки небесных тел (в данном случае планет). В инфракрасном диапазоне расположены полосы различных молекул – и мы видим более плотные слои атмосферы. По отношению интенсивностей отдельных линий можно определить температуру газа, по профилю линий – его плотность (в разреженном газе молекулы сталкиваются редко, и линии тонкие; в плотном газе столкновения происходят часто, и линии уширяются). Наблюдая планету под разными фазовыми углами и измеряя ее поляризацию, можно измерить характерный размер частиц облаков и показатель преломления вещества, из которого состоят облака, а также форму частиц. Если частицы круглые – значит, они жидкие, а если угловатые – значит, твердые Помню, на меня произвело сильное впечатление то, как по наблюдениям Венеры при разных фазовых углах в 50-е годы удалось правильно определить характерный размер частиц в облаках Венеры и их состав – 80% раствор серной кислоты. Еще до всех спускаемых аппаратов! Микроволновое излучение приходит с большой глубины, поэтому измеряя его, можно заглянуть достаточно глубоко в атмосферу – на уровень давлений в десятки бар.
Короче, спутать мини-нептун и аналог Земли и сейчас надо постараться, а уж в прекрасном будущем, где возможны межзвездные перелеты – и подавно.