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.

[vsf]

Это ложная информация.

Согласен, я немного погорячился.
http://www.chara.gsu.edu/RECONS/census.posted.htm
KMLT-типы это 86%, а G-тип только 5%. Т.е. особо интересными для нас будут только 5% двойных(тройных и т.д.) микролинзовых событий.

Я говорил о статистике для ВСЕХ звезд Галактики, не страдающей селективностью.

Тогда по большому счету это вообще не статистика, а цифры ни о чем будут. 70% всех звезд в Галактике это красные карлики, поэтому тут еще очень долго можно гадать к какому типу звезд относятся какие типы планет.

[Olweg]

ОК, для планет массой 3,2 и 5,5 земных - наверное будет вариант микронептуна. А если 1 земная масса? А если 0,5? 0,1? Как это тогда будет выглядеть?

Если сформировалась за аммиачной снеговой линией - то да, нечто наподобие супертитана или суперплутона с мощной азотной атмосферой. Ближе - даже не знаю. Вот какая была бы атмосфера у Ганимеда, будь он помассивнее? Не исключено, кстати, что даже планета размером с Землю сможет захватить сколько-то водорода.

[Андрей Курилов]

Т.е. особо интересными для нас будут только 5% двойных(тройных и т.д.) микролинзовых событий.

Для "вас" - это для кого? Или вы отвечаете за всех астрофизиков?

Тогда по большому счету это вообще не статистика, а цифры ни о чем будут. 70% всех звезд в Галактике это красные карлики, поэтому тут еще очень долго можно гадать к какому типу звезд относятся какие типы планет.

Не понял аргумента. Это ещё почему? Среди 18 звёзд, у которых открыты планеты методом гравимикролинзированья, известны 4 или 5 карликов класса К (не считаю, что планеты у них неинтересны или чем то хуже, чем у G-карликов).

[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?

[Valenock]

Представим себе точную копию Солнечной системы.

А если в качестве мысленного эксперимента попробовать какие-нибудь открытые экзопланеты "притянуть за уши", получиться ли что-нибудь похожее? Я, к сожалению, не обладаю достаточными знаниями в этой области.

[Golossvyshe]

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?

Плохо будет выглядеть. График, из коего неясно - то ли один гигант там обретается на вытянутой орбите, то ли пара на околокруговых.

[vsf]

Плохо будет выглядеть. График, из коего неясно - то ли один гигант там обретается на вытянутой орбите, то ли пара на околокруговых.

Эта ситуация доживает последние годы. Еще немного и аналоги Юпитера и Сатурна начнут обнаруживать сразу несколькими методами.

http://arxiv.org/pdf/1303.3336v1.pdf
Observing Strategies for the Detection of Jupiter Analogs

For ever-longer orbital periods, approaching Saturn-like orbits (P ∼30 yr), opportunities are now emerging to combine the complementary strengths of legacy radial-velocity data with rapidly improving direct-imaging technology from new instruments such as the Gemini Planet Imager. The powerful combination of these two approaches will soon yield direct measurements of the occurrence rate of Jupiter analogs, and the first detailed characterisation of such objects orbiting nearby Sun-like stars.

[Андрей Курилов]

Плохо будет выглядеть. График, из коего неясно - то ли один гигант там обретается на вытянутой орбите, то ли пара на околокруговых.

Скорее вообще ничего. Ибо матожидание колебаний лучевой скорости составляет величину, эквивалентную 2^-0,5 массам Юпитера. А шум от Солнца тоже есть ещё. Экзопланеты методом лучевых скоростей ищут у самых "аномально" бесшумных звёзд.

[Андрей Курилов]

Эта ситуация доживает последние годы. Еще немного и аналоги Юпитера и Сатурна начнут обнаруживать сразу несколькими методами.

The Gemini Planet Imager will be most effective at detecting young gas giants, 1 Myr to 1 Gyr in age.
- Это не аналоги Юпитера и Сатурна.

[vsf]

Эта ситуация доживает последние годы. Еще немного и аналоги Юпитера и Сатурна начнут обнаруживать сразу несколькими методами.

The Gemini Planet Imager will be most effective at detecting young gas giants, 1 Myr to 1 Gyr in age.
- Это не аналоги Юпитера и Сатурна.

Посмотрел презентации по проекту

http://sciencetalks.jpl.nasa.gov/meetings/2011/xs/072101/Poyneer_JPLColloquium_July2011.pdf
http://www.ipac.caltech.edu/wfir2012/talks/Macintosh_Feb2012.pdf

Да пожалуй GPI найдет только молодые аналоги Юпитера и Сатурна. Но уже к 2020 году будет достроен TMT.
http://en.wikipedia.org/wiki/Thirty_Meter_Telescope
Самый реальный пока из телескопов следующего поколения. Участвуют США, Канада, Япония, Китай и Индия - проект очень международный.

И там уже аналоги Юпитера и Сатурна у близких зрелых звезд не ускользнут.  А у молодых звезд вовсю начнут гребсти даже нептуны на широких орбитах.

[Erandir]

Вообще весьма показательно, что на подобном WFIRST-AFTA 1.2 метровом телескопе Euclid ни про какие микролинзовые обзоры балджа Галактики даже не заикаются.

Позвольте с Вами не согласиться - как раз для Эвклида такая программа предложена. Кратко. Подробнее. Охватываемый диапазон масс и орбит получается похож на WFIRST-AFTA, хотя ожидаемое число открытий значительно ниже.

[vsf]

Позвольте с Вами не согласиться - как раз для Эвклида такая программа предложена. Кратко. Подробнее. Охватываемый диапазон масс и орбит получается похож на WFIRST-AFTA, хотя ожидаемое число открытий значительно ниже.

Спасибо за уточнение. А то как-то удивило, что ни на официальном сайте, ни на странице в Вики об микролинзовых планетах ни слова.

[Erandir]

А то как-то удивило, что ни на официальном сайте, ни на странице в Вики об микролинзовых планетах ни слова.

Издержки сайта ЕКА, это не НАСА где будут рассказывать чуть ли не про каждый чих. А Википедия - вообще как повезёт

Насчёт того, как бы мы со стороны наблюдали СС есть ещё один момент, который пока не упоминался в этой дискуссии – тайминг транзитов. Транзиты Венеры и Земли для стороннего наблюдателя меняют время своего наступления с амплитудой порядка 700 секунд. Это обнаружимо современными методами, на Кеплере в частности.

Т.е. поймай мы транзиты Венеры, за 4 года работы Кеплера можно было бы определить, что в системе есть ещё возмущающее тело или тела. Правда, какие ограничения на массы Венеры и Земли получилось бы определить на основании TTV сказать не возьмусь.
А рамках проверки этой красоты на HIRES и HARPS-N мог бы нарисоваться тренд от Юпитера. Что бы заодно вычеркнуло внешний гигант из вариантов источника возмущений орбиты Венеры.
 

[Андрей Курилов]

Насчёт того, как бы мы со стороны наблюдали СС есть ещё один момент, который пока не упоминался в этой дискуссии – тайминг транзитов. Транзиты Венеры и Земли для стороннего наблюдателя меняют время своего наступления с амплитудой порядка 700 секунд. Это обнаружимо современными методами, на Кеплере в частности.
https://astronomy.ru/forum/radikal/s018/i503/1308/bc/e8347b676dd2.jpg
Т.е. поймай мы транзиты Венеры, за 4 года работы Кеплера можно было бы определить, что в системе есть ещё возмущающее тело или тела. Правда, какие ограничения на массы Венеры и Земли получилось бы определить на основании TTV сказать не возьмусь.
А рамках проверки этой красоты на HIRES и HARPS-N мог бы нарисоваться тренд от Юпитера. Что бы заодно вычеркнуло внешний гигант из вариантов источника возмущений орбиты Венеры.

Т.е. при особом везении (если наблюдать СС с ребра) можно было бы даже отловить Венеру, Землю и Юпитер...

[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.

[vsf]

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.

[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.

[Андрей Курилов]

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).

Да, в совокупности это говорит о том, что Кеплер до Венер около G-звёзд не дотянулся. С одной стороны, у М/К-звёзд легче найти транзиты мелкой планеты, т.к. их радиусы меньше, с другой стороны видно, что радиусы найденных кандидатов обрываются снизу на значении 1 (земной радиус).

Как я уже говорил, примерно тоже видно и для Юпитеров на широких орбитах. Планет с массой менее 3х юпитеров на широких орбитах обнаружено совсем мало.

Всё-таки я склоняюсь к тому, что СС пока что не увидели бы мы вообще. Может быть лет через 10-20...