Українська науковиця Ольга Захожай та її команда з Інституту імені Макса Планка в Німеччині виявили нову екзопланету навколо сонцеподібної зірки. Ця планета – HD 114082 b – за своїм типом схожа на Юпітер, має подібні розміри, але майже у вісім разів важча за найбільшу планету Сонячної системи. «Куншт» розпитав Ольгу, що це відкриття означає для науки й як відбувалися її багаторічні дослідження.
Молода планета віком 15 мільйонів років
Я очолюю проєкт під назвою «Пошук планет навколо молодих зір методом радіальних швидкостей». У ньому ми спостерігаємо зорі, навколо яких ще є залишки формування планетних систем – осколкові диски.
Згідно з сучасною теорією формування планетних систем, коли утворюється зоря, то навколо неї з’являється диск, який спочатку складається зокрема з газу й пилу, а згодом – з осколків від формування планетної системи. Зоря майже завжди формується з диском, який її оточує. Диск – це місце, де також можуть формуватися планети, ці планети формуються тільки в дисках, але вони можуть і не сформуватися.
У межах проєкту, в якому я працюю, ми вибрали 111 зір. Навколо всіх з них є диски на пізній стадії формування – осколкові. Є вже багато планет, існування яких підтверджене у системах з дисками. Але ідея була в тому, щоб зробити систематизований пошук, спеціально вибираючи об’єкти з дисками.
Навколо цих зір ми шукаємо планети методом радіальних швидкостей. Якщо в нас є багато спектрів [у видимому діапазоні] від однієї й тієї самої зорі, ми можемо подивитися, чи зміщується цей спектр у «червону» чи «синю» сторону. Таке зміщення пов’язано з рухом зорі на нас чи від нас (ефект Доплера), і його можна перерахувати у значеня радіальних швидкостей, тобто на скільки зоря наближається чи віддаляється від нас. Це може свідчити про те, що довкола зорі щось рухається. Ми спостерігаємо багато спектрів для зір, і для кожної зорі ми досліджуємо, як це зміщення з часом себе поводить.
Лише є одна проблема: для цього методу дуже проблематично спостерігати дуже молоді зорі. Тому ми спостерігаємо зорі тільки старші ніж 10 мільйонів років, вже на останній стадії формування, еволюції цих дисків. Тому що коли диск молодий, зоря також молода, а молоді зорі дуже активні. Наприклад, є плямова активність, як у нас на Сонці, але в молодих зір вона набагато більша. Коли ми бачимо сигнал у спектрі, який, можливо, пов’язаний з планетами, його дуже легко переплутати з сигналом від цих плям.
Всі методи пошуку планет (за винятком прямих зображень) пов’язані з дослідженням певних властивостей зір. Є два найпопулярніші методи пошуку планет. Перший – метод транзитів, ми довго вимірюємо одну характеристику: інтенсивність випромінювання від зорі. І за характером того, як змінюється ця інтенсивність, ми можемо встановити певні характеристики про планету. Тобто ми досліджуємо зорю, і спираючись на це, можемо дізнатися щось про планету.
У методі радіальних швидкостей ми досліджуємо спектр зорі у видимому діапазоні, дивимося на цей спектр й вимірюємо його зміщення в певну сторону. Часом це зміщення спектру можна перерахувати у масу об’єкта, який його провокує.
Великий плюс планети, яку ми відкрили, полягає в тому, що для неї є два типи спостережень: це наші спектральні спостереження [методом радіальних швидкостей] і фотометричні вимірювання потоків випромінювання [метод транзитів].
Планета яку ми відкрили – досить молода. Хоча насправді встановлено вік зір, і ми знаємо, що вік планет повинен бути такий самий або трішки менший. Вік зір, які ми знаємо, – від кількох мільйонів до кількох мільярдів років.
Мушу пояснити, що це не наймолодша планета, яку відкрили науковці. Є молодші. Але це наймолодша планета, для якої ми зі спостережень змогли виміряти масу і розмір. Для інших зазвичай є або маса, або розмір. Другу характеристику можна встановити, спираючись на теоретичні моделі формування або структури планет.
Важливість нашого відкриття і планети полягає в тому, що коли ми знаємо і масу, і розмір зі спостережень (тобто ми поміряли ці величини), ми можемо їх порівняти з теоретичними моделями. Це дає можливість перевірити, наскільки добре теоретичні моделі описують та передбачають параметри планет. Також спираючись на ці дві характеристики, ми можемо зробити якісь припущення про густину планети, про її внутрішню структуру.
Попередні припущення говорили про те, що планети-гіганти повинні формуватися доволі швидко, але охолоджуватись дуже повільно. Там є багато особливостей, але ідея в тому, наскільки повільно охолоджується планета з часом. І цікаво те, що наша планета вказує, що, можливо, вони не зовсім правильні. Тобто це не дуже добре відповідає моделям, що, звичайно, порушує багато питань. Ми дуже прискіпливо перевіряли ті параметри, які отримали, і все вказує на те, що вони правильні.
Дивовижно, що наша планета має дуже маленький радіус. Згідно з сучасними теоріями формування, радіус відповідає віку такої планети у віці понад мільярд років. І це проблема, тому що ми точно знаємо, що вік системи дуже молодий. Тому відповіді на питання поки що немає. Або ця планета дуже швидко охолола – значно швидше, ніж думали науковці до сьогодні, або щось там не так.
Відомі тільки три планети, молодші ніж 30 мільйонів років, для яких виміряли ці дві характеристики. Це наша, а також дві інші планети, які обертаються навколо однієї зорі (V 1298 Tau) з найімовірнішим віком у 20 мільйонів років. Їхній розмір теж значно менший, ніж очікувалося. Тобто у нас є три з трьох, але потрібно більше інформації про об’єкти такого типу, щоб зробити висновок.
Планета, яку ми відкрили, розташована в дуже цікавій системі. Ми маємо зображення диску навколо цієї планети, і є ймовірність, що там є додаткові планети, супутники. Тому, скоріш за все, ми будемо далі спостерігати за цією системою, щоб зрозуміти, що там ще коїться.
Як знайти планету
Для того, щоб отримати радіальні швидкості від зорі, необхідно мати її спектр. Його вимірюють за допомогою інструменту, який називається спектрограф. Наші спостереження ми робили на спектрографі під назвою FEROS, він розташований на телескопі з діаметром 2,2 метра в обсерваторії Ла-Силья в Чилі. Щоб отримати спостереження, насамперед робиться заявка. Адже коли інструмент хороший, зазвичай є конкурс на те, щоб отримати спостережний час.
Ми мали великий бонус, бо телескоп належить Товариству імені Макса Планка, і тому в Інституті імені Макса Планка були дуже хороші шанси отримати багато спостережного часу.
Для аналізу ми також використовуємо дані від інструменту HARPS. Це телескоп з діаметром 3,3 метра, який також розташований в обсерваторії Ла-Силья. Цей телескоп дуже відомий, його розробкою займалися науковці, які отримали Нобелівську премію у 2019 році за відкриття першої екзопланети Мішель Майор та Дідьє Кело, тобто це один з найкращих інструментів для цього. На ньому, звичайно, конкурс 1 до 9, 1 до 10. Тобто коли хтось подає заявку, то ймовірність отримати час невелика, це дуже складний конкурс.
Потім готуються спостереження. Коли в нас є цілий список зір, ми дивимося і розраховуємо, коли конкретна зоря буде видимою для цієї обсерваторії, коли її можна спостерігати. Потім – самі спостереження й обробка спостережень, аналіз даних, які ми отримали.
Обробку роблять за допомогою автоматизованих програм, які вже розроблені для інструментів. Це дуже зручно, що для великих телескопів, відомих інструментів вже розроблені хороші програми для обробки, і мені не потрібно було писати спеціальні програми, а тільки користуватися тим, що вже є в наявності.
Якби таких програм не було, то проєкт такого масштабу було б дуже важко реалізувати. Тому що протягом цих 4,5 років ми отримали більш ніж 3000 спектрів, і обробити ці спектри вручну було б просто нереально. Також ці автоматизовані програми обробки дозволяють отримати результат з дуже великою точністю. Це своєрідний вид мистецтва. Цим завданням займаються інші науковці – щоб такі проєкти, як мій, стали можливими.
Зараз ми завершили перший етап спостережень. Протягом перших років ми спостерігали зорі і дивилися, наскільки вони активні й чи є ймовірність щось там відкрити. Щоб точно щось дізнатися методом радіальних швидкостей, потрібно дуже багато вимірювань. Наразі ми знаємо, що там немає сенсу спостерігати за половиною зір, тому що вони дуже активні чи мають інші проблеми. Далі ми спостерігаємо тільки половину, і в нас є приблизно 20 кандидатів, навколо яких з більшою ймовірністю щось також є. Але на це нам знадобиться, можливо, ще декілька років.
Дослідження і війна
У 2011 році я захистила кандидатську дисертацію про моделювання випромінювання від дисків навколо зір та субзір (це проміжний клас об’єктів між планетами і зорями). І потім, після захисту, я також займалася моделюванням потоків випромінювання. У мене було декілька проєктів. Я працювала не сама, а з закордонними колегами – коли я навчалася на аспірантурі, то багато їздила на конференції й мала контакти. Багато років я працювала з відомими людьми, але без додаткового фінансування, на українську зарплату – ми просто на відстані робили якусь роботу.
У мене була низка проєктів, у яких я намагалася з’ясувати, як зі спостережень диску ми можемо запідозрити, що в системі є планета. У мене була ідея, як, використовуючи тільки архівні дані про диски, зробити аналіз систем, промоделювати ті дані, які є, і спробувати встановити ймовірність планетних супутників у цих дисків.
Цю ідею я презентувала на конференціях. Я зробила вибірку, і в мене було декілька дисків-кандидатів, у яких можуть бути планети, тож я думала, куди мені написати заявку на спостереження. У той час я була тут на стажуванні [в Німеччині] й також намагалася зрозуміти, як працювати з методом радіальних швидкостей. Будучи тут, я могла написати спостережну заяву якраз на цей телескоп з діаметром 2,2 метра на Ла Сильї. Тобто я вже була в інституті [Макса Планка], але за іншим проєктом, який мав тривати три місяці. І я побачила, що тут є група людей, які вже почали спостерігати більшу частину об’єктів, які я хотіла вивчати для підтвердження своєї ідеї. Ми поговорили з цими науковцями і з’ясували, що ті об’єкти, які я обрала, були дуже хороші, але дуже молоді. І для методу радіальних швидкостей вони не підходили. Тобто вони почали працювати, але цей підхід треба було змінити.
Звичайно, вони хотіли запустити цей великий проєкт. І методологія була від науковців з Інституту Макса Планка. З іншого боку, в мене була мотивація і досвід роботи з такими даними. Тому так збіглося.
Проєкт «Пошук планет навколо молодих зір методом радіальних швидкостей» почався у 2017 році. Тоді я офіційно – і фізично – працювала в Україні. Академія наук мені платила зарплатню, щоб я робила ці дослідження. Звичайно, у нас у науці дуже бракувало коштів, навіть на зарплату в останні роки. Доступ до інструментів високого класу є, але тільки коли науковець співпрацює з закордонними науковцями. І це єдиний спосіб отримати час на хороших телескопах, інструментах.
Коли почалась війна, нам довелося переїхати з Києва [до Німеччини]. Моїй доньці було півтора року, і було страшно залишатися. Думаю, що всім було страшно, але коли є маленька дитина, це трохи інша історія, і тому довелося їхати. Ми сюди приїхали у березні, і вже у липні надіслали першу публікацію до видавництва.
Ця публікація створена за підтримки Європейського фонду підтримки демократії (EED). Її зміст не обов’язково відображає офіційну думку EED. Відповідальність за інформацію та погляди, висловлені в цій публікації, повністю несе автор(и).
