Представьте, что вы годами смотрите на один насыщенный пиксель и каким-то образом узнаете, какие миры живут вокруг него. Вот для чего нужна наука!
Когда вы думаете о том, что находится в бескрайних уголках космоса, на ум, вероятно, приходят великолепные образы галактик, звезд и новых миров. Мы визуализируем Вселенную в сочетании с лучшими изображениями, полученными Хабблом, и великолепными художественными изображениями, но это не то, что видят большинство телескопов или обсерваторий, и, конечно же, это не то, где делается большая часть науки. Миссия НАСА «Кеплер», известная тем, что открыла тысячи планет за пределами нашей Солнечной системы, на самом деле ни разу не сфотографировала планету. Вместо этого они просто изображают неразрешенную звезду, или, точнее, около 100 000 звезд одновременно. После этого в течение недель, месяцев или лет они объявляют об открытии планет-кандидатов, включая такие свойства, как их радиус и период обращения. Необработанное изображение не показывает ничего, кроме пикселей насыщенной звезды, но важно то, что вы делаете с данными. Вот наука о том, как несколько пикселей становятся целой солнечной системой.
TRAPPIST-1, пожалуй, самое захватывающее из недавних открытий, сделанных с помощью космического корабля Kepler. Несмотря на то, что это маленькая звезда с малой массой, красная и тусклая, мы обнаружили невероятно плодовитую солнечную систему: 7 планет, каждая из которых приблизительно размером с Землю, в том числе три, которые могут иметь подходящие температуру и условия для жидкой воды на их поверхность. Лучше всего то, что она находится всего в 40 световых годах от нас, а это означает, что в галактическом масштабе она находится прямо у нас на заднем дворе. Но когда вы смотрите на это через телескоп НАСА «Кеплер», откуда поступают лучшие данные об этой планетной системе, вы видите именно это.
Вы не видите планет, вы не видите орбит, вы даже не видите ничего, что могло бы рассказать вам о свойствах звезды или ее солнечной системы. Все, что вы видите, - это набор пикселей, указывающих на то, что у вас есть источник света определенного типа. Рядом есть другие источники света - космос оживленное место - и Кеплер фотографирует их все сразу, непрерывно. Эти два факта:
- что Кеплер визуализирует тысячи и тысячи звезд одновременно,
- и что он непрерывно фотографирует все эти звезды в течение длительных периодов времени,
- это то, что позволяет нам заниматься невероятной наукой, которой мы занимаемся. Взгляните на эту анимацию необработанных данных за интересный период времени.
Вы заметите, что яркость звезды меняется со временем. Но вы также заметите, если будете внимательны, что фоновая яркость всего остального - как других объектов, так и фонового «шума» самого пространства - тоже меняется со временем. Если вы смотрите на сами необработанные данные, вам нужно кое-что знать о них, прежде чем пытаться их использовать. В необработанных данных нет поправок на размытие данных по нескольким пикселям. В необработанные данные не включены вычитания смещения. Поле (там, где нет звезд) не плоское, поэтому в необработанные данные вносится шум. Нет никаких флагов для времени, когда данные плохого качества, например, когда срабатывают двигатели космического корабля. И нет маркировки космических лучей, которые могут повлиять на программное обеспечение корабля.
Тем не менее, если принять все это во внимание, сами необработанные данные (отдельные красные точки внизу) по-прежнему показывают некоторые замечательные особенности, на которые стоит обратить внимание.
Есть синусоидальные (периодические колебания вверх и вниз) узоры, которые говорят вам о наличии солнечных пятен на главной звезде: некоторые части звезды тусклее, чем в среднем. Кроме того, есть несколько больших провалов в общем количестве света в данных длинной каденции, где от 0,5% до 1% света временно блокируется/приглушается в течение примерно 30 минут. Когда вы нормализуете данные и сделаете все поправки, которых нет в необработанных данных, а затем добавите последующие данные с других телескопов и обсерваторий, вы сможете ясно увидеть периодическую природу планет. Когда мир проходит транзитом или проходит перед звездой, он блокирует часть света, из-за чего звезда кажется тусклее. Со временем эти провалы появляются периодически, рассказывая нам об орбитах этих миров.
Это дает нам всю информацию, необходимую для вывода многих свойств этих миров.
- Поскольку мы знаем размер и яркость звезды, мы можем вычислить радиус каждого транзитного мира.
- Поскольку мы знаем массу звезды и то, как работают орбиты, мы можем вычислить расстояние от каждой планеты до звезды.
- Поскольку мы знаем температуру звезды, мы можем выяснить, в каких мирах были бы подходящие условия для жидкой воды, если бы они имели атмосферу, подобную земной.
- И поскольку эти миры взаимно тянут друг друга, вызывая тонкие сдвиги в орбитах друг друга, мы можем сделать вывод, какими должны быть их массы.
Если сложить все это вместе, вот как эти миры выглядят по сравнению с внутренними каменистыми мирами нашей собственной Солнечной системы.
Если вы ищете самый похожий на Землю мир из всех, вам лучше всего подойдет четвертый камень со звезды: TRAPPIST-1e. Конечно, он гораздо ближе к своей звезде, всего на 3% от нашего расстояния от Солнца и с периодом обращения 6 дней, но его звезда намного меньше, тусклее и холоднее. Он всего на 9% меньше Земли и, с точностью до ошибок, имеет ту же плотность, что и наш мир. На TRAPPIST-1e вы будете весить 93% от того, что вы весите на Земле, поскольку его гравитация почти идентична нашей. Самое впечатляющее, что он обладает свойствами, соответствующими тому, чтобы быть плотным каменистым миром с тонкой атмосферой, окружающей его. Из всех обнаруженных нами миров, вращающихся вокруг звезд за пределами Солнца, TRAPPIST-1e, возможно, наиболее похож на Землю.
Несмотря на то, что экзопланеты, вращающиеся вокруг TRAPPIST-1, находятся вокруг красного карлика и, вероятно, привязаны к его звезде, невероятно многообещающие условия для жизни. Они варьируются от обжаренных до умеренных и замороженных с подповерхностными океанами до потенциально легких и пушистых с внешними газовыми оболочками. Вся эта информация о мирах вокруг этой звезды, их размерах, их орбитах и даже их массах может быть получена из тех крошечных, насыщенных пикселей света, которые уловил Кеплер. И это не только одна система; каждая звезда, которая испытывает транзиты, наблюдаемые Кеплером, показывает это.
Не само изображение дает вам эту информацию, а то, как свет на изображении меняется со временем, как по отношению ко всем другим звездам, так и по отношению к самой себе. У других звезд в нашей галактике есть свои солнечные пятна, планеты и богатые солнечные системы. Поскольку Kepler приближается к своему окончательному выходу на пенсию и готовится к замене TESS, найдите минутку, чтобы подумать о том, как он произвел революцию в нашем взгляде на Вселенную. Никогда еще такой небольшой объем информации не учил нас так многому.