Миссия «Кеплер

Миссия «Кеплер» (англ. Kepler mission) — космическая программа НАСА по поиску экзопланет земного типа, реализованная с помощью одноимённого космического телескопа. Основной задачей миссии было обнаружение планет в зоне обитаемости их звёзд и оценка распространённости таких планет в Галактике. Телескоп «Кеплер» был запущен 7 марта 2009 года и проработал до 30 октября 2018 года, когда завершил работу из-за истощения запасов топлива. За время своей деятельности миссия обнаружила более 2600 подтверждённых экзопланет, что составило около половины всех известных на тот момент планет за пределами Солнечной системы.

История

Предпосылки и разработка

Идея создания телескопа, способного систематически искать планеты транзитным методом, возникла в конце 1990-х годов. В 1992 году были открыты первые экзопланеты у пульсара, а в 1995 году — первая планета у звезды главной последовательности (51 Пегаса b). Стало очевидно, что для статистически значимых выводов о распространённости землеподобных планет необходим специализированный инструмент. В 2001 году НАСА одобрило проект под названием «Кеплер» (в честь немецкого астронома Иоганна Кеплера, открывшего законы движения планет). Разработку вела Лаборатория реактивного движения (JPL) при участии компании Ball Aerospace. Стоимость миссии составила около 600 миллионов долларов США.

Запуск и первые годы работы

Запуск телескопа состоялся 7 марта 2009 года с помощью ракеты-носителя Delta II с мыса Канаверал. Аппарат был выведен на гелиоцентрическую орбиту, близкую к земной, что позволило избежать помех от Земли и Луны. Основная фаза наблюдений началась в мае 2009 года. Телескоп непрерывно наблюдал за участком неба в созвездиях Лебедя и Лиры, площадью около 105 квадратных градусов (примерно 0,25% небесной сферы). В этом поле находилось около 150 000 звёзд, выбранных для долговременного мониторинга.

Основные результаты

В 2010 году были опубликованы первые результаты: «Кеплер» подтвердил существование нескольких горячих юпитеров, а также открыл первую многопланетную систему с транзитными планетами (Kepler-9). К 2012 году число кандидатов в планеты превысило 2000. В 2013 году было объявлено об открытии системы Kepler-62, в которой две планеты (Kepler-62e и Kepler-62f) находились в зоне обитаемости. В 2014 году был открыт Kepler-186f — первая планета земного размера в зоне обитаемости красного карлика. К 2015 году общее число подтверждённых планет достигло 1000, а к 2018 году — 2600.

Технические проблемы и завершение миссии

В 2012 году на телескопе вышла из строя одна из четырёх гироскопических маховиков (реакционных колёс), что не повлияло на работу. Однако в мае 2013 года отказал второй маховик, что сделало невозможным точное наведение телескопа. Основная миссия была завершена, но НАСА разработало новую программу — K2 (вторая жизнь «Кеплера»), в рамках которой телескоп использовал давление солнечного света для стабилизации. С 2014 по 2018 год миссия K2 провела наблюдения за 80 полями в разных участках неба, обнаружив ещё около 500 подтверждённых планет. 30 октября 2018 года НАСА объявило об окончательном завершении миссии из-за истощения топлива.

Устройство и принцип работы

Конструкция телескопа

«Кеплер» представлял собой космический телескоп системы Шмидта с апертурой 0,95 метра и фокусным расстоянием 1,4 метра. Главное зеркало имело диаметр 1,4 метра и было изготовлено из стеклокерамики с низким коэффициентом теплового расширения. Для защиты от солнечного света использовался экран диаметром 4,7 метра, который также служил радиатором для охлаждения детектора.

Фотометр

Основным научным инструментом был фотометр, состоящий из 42 матриц ПЗС-детекторов (каждая размером 2200×1024 пикселей). Общее разрешение составляло 95 мегапикселей. Фотометр измерял яркость звёзд с точностью до 20 миллионных долей (20 ppm) для звёзд 12-й звёздной величины. Каждые 30 минут проводилось интегрирование сигнала, что позволяло регистрировать даже незначительные изменения блеска.

Метод транзита

Поиск планет осуществлялся транзитным методом: телескоп регистрировал периодические ослабления блеска звезды, вызванные прохождением планеты по её диску. Для обнаружения планеты земного типа требовалось зафиксировать три последовательных транзита с одинаковым периодом. Глубина транзита (уменьшение яркости) для планеты размером с Землю у звезды солнечного типа составляет около 0,01% (100 ppm), что было на пределе чувствительности прибора.

Классификация открытых планет

По размеру

Планеты, обнаруженные «Кеплером», делятся на несколько категорий:

• Земного типа (радиус 0,5–1,25 R⊕) — например, Kepler-186f, Kepler-452b.
• Суперземли (1,25–2 R⊕) — наиболее распространённый класс в данных «Кеплера».
• Малые нептуны (2–4 R⊕) — планеты с плотной атмосферой, не имеющие твёрдой поверхности.
• Газовые гиганты (более 4 R⊕) — горячие юпитеры и сатурны.

По зоне обитаемости

Зона обитаемости (обитаемая зона) — область вокруг звезды, где температура позволяет существовать жидкой воде на поверхности планеты. «Кеплер» обнаружил несколько десятков кандидатов в зоне обитаемости, из которых около 20 были подтверждены. Среди них:

• Kepler-452b (2015 год) — планета с радиусом 1,6 R⊕, обращающаяся вокруг звезды, похожей на Солнце, с периодом 385 дней.
• Kepler-186f (2014 год) — планета земного размера (1,1 R⊕) у красного карлика.
• TRAPPIST-1 (система из семи планет земного размера, три из которых в зоне обитаемости) — открыта частично с помощью «Кеплера» в рамках миссии K2.

Научные результаты

Статистика распространённости планет

Одним из главных итогов миссии стала оценка частоты встречаемости планет в Галактике. Согласно данным «Кеплера», не менее 20% звёзд солнечного типа имеют планеты земного размера в зоне обитаемости. Это означает, что в Млечном Пути может существовать от 10 до 40 миллиардов таких планет. Для красных карликов (самый распространённый тип звёзд) доля ещё выше — до 50%.

Многопланетные системы

«Кеплер» обнаружил более 600 многопланетных систем, в которых планеты обращаются вокруг одной звезды. Наиболее известные системы:

• Kepler-11 (шесть планет, все с радиусами менее 3 R⊕).
• Kepler-20 (пять планет, включая Kepler-20e и Kepler-20f — первые планеты земного размера, обнаруженные у звезды солнечного типа).
• Kepler-90 (восемь планет, структура напоминает Солнечную систему).

Необычные объекты

Помимо планет, «Кеплер» обнаружил ряд аномальных объектов:

• Kepler-16b — первая подтверждённая планета, обращающаяся вокруг двойной звезды (циркумбинарная планета).
• KIC 8462852 (звезда Табби) — объект с нерегулярными, глубокими падениями блеска, природа которых остаётся предметом дискуссий (гипотезы включают рой комет, искусственные мегаструктуры, пылевые облака).
• Белые карлики с планетарными остатками — «Кеплер» зафиксировал транзиты объектов, разрушающихся под действием приливных сил у белых карликов.

Влияние на астрономию

Методология

Миссия «Кеплер» продемонстрировала эффективность транзитного метода для массового поиска планет. Обработка данных потребовала разработки новых алгоритмов машинного обучения и статистических методов, таких как автоматическое обнаружение транзитов (алгоритм TLS, Box Least Squares). Данные «Кеплера» стали основой для многих последующих исследований, включая миссию TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite), запущенную в 2018 году.

Популяризация науки

Открытия «Кеплера» широко освещались в СМИ и привлекли внимание общественности к проблеме поиска внеземной жизни. Такие планеты, как Kepler-452b, получили прозвище «Земля 2.0» (хотя последующие исследования показали, что она, вероятно, является суперземлёй с толстой атмосферой). Миссия также стимулировала развитие любительской астрономии и проектов гражданской науки (например, Planet Hunters).

Критика и ограничения

Методические ограничения

Транзитный метод имеет ряд недостатков. Во-первых, он позволяет обнаруживать только те планеты, чьи орбиты ориентированы почти ребром к наблюдателю (вероятность такого выравнивания для землеподобной планеты у звезды солнечного типа составляет около 0,5%). Во-вторых, метод даёт только радиус планеты, но не массу, что затрудняет определение её плотности и состава. Для оценки массы требовались последующие наблюдения с помощью наземных телескопов (метод радиальных скоростей).

Проблема ложноположительных результатов

Не все падения блеска, зарегистрированные «Кеплером», вызваны планетами. Причинами могут быть затменные двойные звёзды, звёздные пятна, инструментальные шумы. Для отсева ложных сигналов требовалась тщательная проверка, включая анализ формы кривой блеска и спектроскопию. В результате из более чем 5000 кандидатов подтверждёнными стали только около 2600.

Ограничения по типу звёзд

«Кеплер» наблюдал преимущественно звёзды спектральных классов F, G и K (жёлтые и оранжевые карлики). Красные карлики (класс M) были представлены в выборке в меньшей степени из-за их слабой яркости. Это ограничило статистику для самых распространённых звёзд Галактики.

Наследие

Миссия «Кеплер» считается одной из самых успешных в истории астрономии. Её данные продолжают обрабатываться и после завершения работы телескопа. В 2020 году был опубликован каталог Kepler DR25, содержащий более 9000 кандидатов в планеты. На основе этих данных были построены модели распределения планет по размерам и орбитальным периодам, которые используются для планирования будущих миссий, таких как PLATO (Европейское космическое агентство) и ARIEL.

Источники

• Borucki, W. J. et al. (2010). Kepler Planet-Detection Mission: Introduction and First Results. Science, 327(5968), 977–980.
• NASA. Kepler and K2 Missions. Официальный сайт миссии.
• Lissauer, J. J. et al. (2014). Validation of Kepler's Multiple Planet Candidates. II. A Statistical Analysis. The Astrophysical Journal, 784(1), 44.
• Bryson, S. T. et al. (2021). The Kepler Exoplanet Catalog: A Unified Analysis of the Kepler Data. The Astronomical Journal, 161(1), 36.
• «Кеплер» (космический телескоп). Большая российская энциклопедия.