Смотрим вооружённым глазом на Тау Кита

Тау Кита, Тау Кита!
Астрономы ловят в сито
Несколько твоих планет,
Но пока успеха нет.

Vadim S

Хотели узнать, что из себя представляет Та́у Кита́ в нашей реальности? Не буду повторяться за другими, что это любимица писателей-фантастов, сценаристов фильмов и игр. Далее только астрофизика. Текст во многом опирается на работу Boris Kriger из Information Physics Institute, Gosport; Institute of Integrative and Interdisciplinary Research, Toronto [1].

Первый взгляд

Фото Тау Кита на паспорт

Тау Кита (τ Ceti) – это одиночная звезда в созвездии Кита, видимая невооруженным глазом. Спектральный класс G8 и светимость 0.52 ± 0.03 солнечной – перед нами жёлтый карлик главной последовательности, как Солнце, но ещё мельче. Расстояние до объекта составляет 11.9 св. лет, что очень близко, и делает её ближайшей одиночной солнцеподобной звездой. Зная светимость, расстояние и спектральный класс, можно вычислить массу (0.783 ± 0.012 солнечной). Также был измерен радиус диска (0.793 ± 0.004 солнечного). Удобно, когда звезда так близко.

История исследования

Первый этап исследования звезды (1960 - 2000)

Первый этап исследований звезды (1960 - 2000) был открыт в рамках программы SETI лично Фрэнком Дрейком (Frank Drake), в честь которого был назван пролив... Шутка! Его именем названо уравнение Дрейка для оценки количества внеземных цивилизаций в Галактике. В ходе наблюдений были уточнены физические параметры Тау Кита и установлена её низкая металличность.

Второй этап исследования (2004 - 2012)

Второй этап исследований (2004 - 2012) приоткрыл нам планетную систему звезды. А именно холодный остаточный диск с наклоном оси 35 ± 10° и радиусом ∼55 а.е. Первые оценки давали массу диска в 1.2 M⊕, что на порядок больше, чем аналогичный пояс Койпера в Солнечной системе (это там летает Плутон и его подруги, карликовые планеты). Смелые умы уже тогда заявляли, что это ставит крест на возможной обитаемости планетной системы.

Вот так выглядит остаточный диск по данным, полученным с космического телескопа Гершель [2]:

Наблюдения и модель остаточного диска вокруг звезды. Слева наблюдения, справа модели

Третий этап исследования (2012 - 2017)

Третий этап исследований (2012 - 2017) явил нам планеты. Методом лучевой скорости (подробности будут ниже) было замечено 5 кандидатов, потом ещё 2 новых, а 3 старых потерялись. Но все открытия происходили на пределе чувствительности приборов, поэтому пока нет 100% уверенности ни в одном из кандидатов. Но это не помешало другим смелым умам натягивать зоны обитаемости на орбиты тех или иных предполагаемых планет. Ниже табличка с открытыми и закрытыми кандидатами [1]:

P (d) – период обращения в днях;
a (AU) – большая полуось орбиты в а.е.;
m sin i – масса кандидата в массах Земли с поправкой на угол наклона орбиты.

Обратите внимание на обозначение планет строчными латинскими буквами (буква a относится к самой звезде). Никаких еретических Tau Ceti IV.

Четвёртый этап исследования (2023 - ...)

Четвёртый этап исследований (2023 - ...) смешал все карты. Был вычислен угол наклона оси вращения звезды [4], которая оказалась направлена практически на наблюдателя (7 ± 7°). Другими словами, мы смотрим на один из полюсов Тау Кита. И это заставило сомневаться в предыдущих смелых гипотезах.

Сложность исследования

Вообще сложилась интересная ситуация, которая может быть непонятна без пояснений. Почему мы до сих пор не подтвердили ни одну экзо-планету у близкой звёзды? Ведь открыты и подтверждены уже тысячи экзо-планет у более далеких светил.

Дело в том, что Тау Кита неудобна для исследования существующими методами.

Метод лучевой скорости

Метод лучевой скорости (метод радиальной скорости, доплеровская спектроскопия) – измерение колебаний скорости звезды вдоль луча зрения по эффекту Доплера, который проявляется в смещении спектральных линий. Если мы замечаем периодические изменения – это указывает на наличие спутника. А если известна масса наблюдаемой звезды, то можно оценить и массу открытого тела. Очевидно, метод наиболее эффективен, если мы смотрим на систему «с ребра». А ещё он хорошо открывает тяжелые планеты на близких орбитах и плохо замечает всякую мелочь.

Планетная система Тау Кита плохо укладывается в эти условия. Вот так выглядят измерения колебаний RV для звезды до и после обработки [3]:

Исходные наблюдательные данные.
RV – radial velocity, лучевая скорость

Обработанные данные с выделенными отклонениями от четырёх предполагаемых планет

Транзитный метод

Транзитный метод – наблюдения за блеском звезды, чтобы обнаружить затмения и прохождения планет по диску светила. Опять же важна ориентация орбит: метод работает в очень небольших углах. Даже в нашей родной системе мы видим прохождения Венеры по диску Солнца лишь раз в 100-120 лет – настолько сильно мешает, казалось бы, крошечное наклонение орбиты (3.4°).

Астрометрический метод

Астрометрический метод – крайне точное измерение положения звезды, чтобы отследить все периодические отклонения от прямолинейного движения и вычислить влияние звезд-спутников или планет. Метод абсолютно рабочий и не зависит от ориентации орбит. Но у человечества пока нет достаточно точных инструментов, чтобы регистрировать отклонения, вызываемые относительно лёгкими планетами даже у ближайших звёзд.

И какие же сложности?

Как мы помним, открытый остаточный диск имеет наклон 35 ± 10°, а в 2023 году измерили, что ось вращения звезды смотрит практически на нас (7 ± 7°). Логично предположить, что плоскости орбит планет будут где-то недалеко. А значит первый метод малоэффективен, второй вообще выбывает из соревнования, а третий, как в анекдоте, пока разминается портвейном.

И здесь впору вспомнить про ещё один способ открытия экзо-планет – прямые наблюдения. Звезда же близко, даже диаметр диска как-то там измерили. Почему бы не пронаблюдать планетную систему в телескоп с такого удобного ракурса? Не сомневайтесь, пронаблюдали и ничего не увидели. Но в физическом эксперименте/наблюдении даже отрицательный результат – это результат, потому что позволяет зачеркнуть какие-то гипотезы и варианты, приближая нас к истинной картине.

А картина пока что следующая [1]:

Диаграмма "исследованности" в предположении, что орбиты лежат в плоскости экватора звезды.
По вертикали отложен логарифм большой полуоси планеты.
По горизонтали отложен логарифм массы.

На этом логарифмическом графике отмечены зоны покрытия разными методами исследования, показаны открытые кандидаты (черные звездочки) и планеты Солнечной системы для сравнения (ромбики).

Зоны покрытия отмечают наши шансы (надёжность) открыть планету с заданными параметрами: белая зона – 10% и ниже, светло-серая зона – 50%, темная зона – больше 90%. На координатах 1:1 сидит Земля, и видно, что, во-первых, она и у Тау Кита попадает в зону обитаемости (Habitable Zone), во-вторых, мы её не сможем там зарегистрировать.

С помощью метода лучевой скорости мы худо-бедно замечаем так называемые суперземли на близких орбитах, даже не смотря на почти полярный обзор системы. А прямые наблюдения и астрометрия покрывают нам серую зону справа, где могли бы быть далекие планеты-гиганты. Вопрос в том, как закрасить остальную часть диаграммы.

К слову, на графике известные кандидаты могут «съехать» ещё правее, если угол наклона их орбит окажется меньше, чем предполагалось ранее. Кандидаты f и e могут оказаться по массе близкими к Нептуну.

Дальнейшее исследование

Конечно же такое положение дел не устраивает учёных, поэтому от Тау Кита никто не отстанет, пока мы не вытрясем из неё все планеты. Вот планируемые направления:

Улучшать приборы прямых наблюдений. Это будет двигать правую вертикальную границу, и есть надежда, что покажет нам планеты земной массы у звезды. Этим планируют заняться на ELT/METIS [5].

Астрометрический метод даже более перспективный в движении «справа». Планируется программа CHES как раз для наблюдений за близкими планетными системами [6]. Она позволит регистрировать землеподобные планеты у звёзд ближе ∼35 св. лет. Более того, можно будет получить не только точную массу тел, но и наклон орбит, что сразу уточнит все имеющиеся данные от других методов.

Увеличивать точность методов лучевой скорости. Это в какой-то мере сдвинет левую наклонную границу на диаграмме ещё левее и, скорее всего, подтвердит некоторых кандидатов. В эту же копилку работает следующий пункт.

Проводить наблюдения дальше и дольше (VLT-ESPRESSO [7]). Это поможет открыть/закрыть планеты на больших периодах вращения (больших орбитах). А также снизит погрешность всех методов за счёт многократных измерений. Так у нас будет подниматься горизонтальная «полочка» серой зоны. В какой-то момент, например, мы сможем сказать, есть ли у Тау Кита свой Сатурн.

Попытаться найти прямые сигналы от атмосфер планет. Нет, это не про поиск разумной жизни, а про наблюдение богатых водородом атмосфер миссией HWO [8].

Обитаемость

Невозможно обойти стороной тему обитаемости. Тем более, что здесь тоже не всё так однозначно.

Есть ли жизнь на Тау Кита... 

Во-первых, ни одна экзопланета у Тау Кита пока не подтверждена. Хотя один кандидат почти попадает в зону обитаемости. И ещё есть вероятность открыть более легкие планеты, в том числе в Зоне Златовласки.

Во-вторых, нам неизвестны массы кандидатов. Мы знаем лишь их m sin i. То есть массу, умноженную на синус угла наклона орбиты. И если, например, орбита планеты лежит в плоскости остаточного диска – это одно значение массы, а если орбита сориентирована по экватору звезды – другое, в 5 раз больше. А зачинать жизнь на суперземле, или на мининептуне – это две большие разницы, независимо от зоны обитаемости.

В-третьих, плотный остаточный диск может быть следствием того, что в планетной системе нет газовых гигантов, которые бы очистили внутреннюю часть от строительного мусора после формирования системы, как это сделал Юпитер у Солнца. А если нет такой защиты, и есть диск из астероидов (который, по оценкам, может начинаться от 2 а.е. [2]), то внутренние планеты подвергаются регулярным метеоритным бомбардировкам. Жить не очень комфортно. На то, что в системе может не оказаться газовых гигантов, также указывает низкая металличность звезды. В протопланетных дисках этих звёзд часто недостаточно «затравки», чтобы успеть сформировать планеты такого типа (справедливости ради, эта корреляция оспаривается).

В-четвёртых, есть и бонусы для жизни. Тау Кита отличается аномально низкой хромосферной активностью. Но это же может оказаться и минусом, так как поток частиц от звезды (т.н. звёздный ветер) может быть необходим для поддержания тонуса магнитосферы планеты (если магнитное поле вообще у планеты есть) [1].

В-пятых, безусловный плюс, нет никаких признаков наличия астрофагов. Блеск звезды стабилен и не снижается.

Заключение

Тау Кита – почти заурядный жёлтый карлик. Скорее всего, звезда образовалась и залетела к нам из толстого галактического диска, но сейчас выделяется скорее своей близостью, чем какими-то выдающимися физическими свойствами.

Планетная система, вероятно, состоит из нескольких близких  планет с разбросом масс от долей единицы до десятка земных, зажатых большим остаточным диском. Система имеет странное несовпадение плоскостей орбит (некоторых) объектов и экватора звезды. И без газовых гигантов.

И вообще, Тау Кита не самое лучшее место, где стоит искать жизнь (живую). И так себе кандидат для колонизации или, прости-господи, терраформирования. Но астрофизики – это не писатели, сценаристы или журналисты, их подобные вещи мало волнуют, и исследования продолжаются.

Благодарю за внимание!

Источники