Телескоп "Кеплер"

 

«Кеплер» — астрономический спутник НАСА, оснащённый сверхчувствительным  фотометром, специально предназначенный для поиска экзопланет (планет вне Солнечной системы — у других звёзд), подобных Земле. Космический телескоп Kepler (NASA) - единственный астрономический инструмент видимого диапазона, работающий не на околоземной, а на околосолнечной орбите. Этот вариант размещения был выбран потому, что он облегчает постоянную ориентацию аппарата на один и тот же участок неба, на котором телескоп непрерывно и с высокой точностью измеряет блеск попавших в его поле зрения объектов (вести такие измерения с Земли технически невозможно из-за влияния атмосферы). Это первый космический аппарат, созданный с такой целью. Он назван в честь немецкого математика и астронома, открывшего законы движения планет. Обсерватория могла одновременно наблюдать более чем 100 тыс. звёзд. Наличие планеты у звезды определяется по периодическим изменениям яркости последней, вызываемым транзитами — прохождениями планеты перед звездой.Научная цель телескопа «Кеплер» состоит в том, чтобы исследовать структуру и разнообразие планетарных систем.

ОСНОВНЫЕ ЦЕЛИ МИССИИ:

    > Оценка общего количества-экзопланет и их типизация;
    > Определение количества землеподобных планет в «зонах обитаемости»;
    > Определение диапазона размеров и форм экзопланетных орбит;
    > Оценка количества планет в системах двойных и кратных звезд;
    > Обнаружение дополнительных спутников в каждой найденной планетной системе с использованием других методик (поиск возможных экзолун);
    > Детальное изучение свойств родительских звезд;
    > Исследование химического состава атмосфер экзопланет;
    > Обнаружение планет, похожих на Землю по размеру, массе и составу;
    > Предварительные оценки превалирующего типа экзопланет в исследуемой области и экстраполяция результатов на более широкие масштабы. 

В самом начале миссии (еще в ходе 10-дневного тестирования) Kepler заявил о своих возможностях, открыв атмосферу у экзопланеты - гиганта НАТ-Р-7Ь. Телескоп оказался способен заметить прохождение планеты не только перед звездой, но и за ней: на кривой блеска четко прослеживался небольшой вторичный минимум. Эта информация позволила сделать вывод о существовании у НАТ-Р-7Ь газовой оболочки, температура которой на дневной стороне превышает 2700 К, благодаря чему она интенсивно излучает в видимом диапазоне. На ночной стороне планеты должно быть заметно холоднее. Из «показаний» космической обсерватории астрономы также заключили, что этот объект обращается вокруг центральной звезды по круговой орбите. 

Проведенные специалистами расчеты показали, что в определенных условиях Kepler может искать не только экзопланеты, но и их спутники (экзолуны) - по отклонениям интервала между началами последовательных транзитов от точного периода или по изменению длительности транзита. Наиболее пригодными для обнаружения экзолун являются планеты, похожие на Сатурн - газовые гиганты с относительно небольшой массой. С одной стороны, такие гиганты закрывают значительную часть звездного диска, а с другой - гравитационное воздействие спутников будет достаточно сильно отклонять их от среднего положения при вращении вокруг общего центра масс. Согласно предварительным оценкам, таким способом удастся выявить экзолуны, сравнимые по массе с Марсом; «действенность» метода ограничена расстоянием порядка 500 световых лет. 

Запуск состоялся 6 марта 2009 года в 22:49 по времени Восточного побережья США. Строительством и вводом в эксплуатацию управляла «Лаборатория реактивного движения» НАСА, а первичный подрядчик, «Ball Aerospace», был ответственным за разработку систем полёта «Кеплера». С декабря 2009 года ответственность за управление миссией легла на Исследовательский центр Эймса, который также проводит основной анализ научных данных от телескопа.

Основная программа была рассчитана на 3,5 года. 12 мая 2013 года телескоп «Кеплер» вышел из строя; орбитальная обсерватория потеряла ориентацию в пространстве, бортовой компьютер перешёл в «безопасный режим». Хотя после выхода из строя маховиков точная ориентация аппарата стала невозможна, анализ данных будет продолжаться ещё несколько лет.

За три года работы телескопом «Кеплер» были сделаны важные и даже сенсационные открытия, например, были обнаружены планеты размером с Землю и меньше. К началу 2014 года им было открыто более 3500 кандидатов в планеты, из которых более 1000 оказались подтверждены различными научными группами исследователей.

Подготовка телескопа.

«Кеплер» совершенно не похож на «Хаббл». Запущенный на низкую околоземную орбиту «Хаббл» неоднократно ремонтировали, и по команде из центра «Хаббл» можно поворачивать в любую сторону. «Кеплер» вращается вокруг Солнца и нацелен на определённый участок неба — вдоль касательной к нашему рукаву галактики, по направлению к её центру. Телескоп непрерывно отслеживает этот участок, находя экзопланеты по изменениям интенсивности звезды.

Технические характеристики

Конструктивно космический аппарат Kepler представляет собой модификацию телескопа Шмидта. Через коррекционную линзу особого профиля диаметром 95 см свет поступает на главное зеркало телескопа размером 1,3 м. Отраженный от зеркала свет собирается в главном фокусе, где расположена мозаика из 21 пары специально созданных астрономических ПЗС-матриц, способных зарегистрировать почти каждый падающий на них фотон (чувствительность человеческого глаза в этом диапазоне на порядок меньше). Вся мозаика имеет размер примерно 30x30 см и состоит из 95 мегапикселей. Это крупнейшая ПЗС-матрица из всех когда-либо отправленных в космос. 

ПЗС-матрица «Кеплера» изогнута, чтобы компенсировать кривизну поля изображения.

Данные с матрицы снимаются каждые 6 секунд, достигают предела насыщения и суммируются в бортовом компьютере в течение 30 секунд для каждого пикселя. Каждое из 42 матричных устройств имеет по 2 выхода для данных, то есть всего шина данных имеет 84 выхода.

На матрице фокусируется свет свыше 4 млн. звезд, расположенных на площадке размером 105 квадратных градусов вблизи границы созвездий Лебедя и Лиры. Большинство этих звезд относится к рукаву Ориона нашей Галактики. В течение первого года работы был произведен отбор 156 тыс. объектов с достаточно существенными изменениями яркости. Далее телескоп «переключился» на мониторинг тех из них, у которых в колебаниях блеска прослеживается четкий период («непериодические» колебания могут возникать, например, из-за появления пятен на поверхности светила или его вспышек). Используемый способ наблюдений - метод транзитов 19 - требует для уверенного отождествления экзопланеты зафиксировать не менее трех ее прохождений по диску «родительской» звезды. 

• Габариты: диаметр около 2,7 м и длина около 4,7 м.
• Масса: общая — 1052,4 кг, фотометр — 478 кг, космический аппарат — 562,7 кг, 11,7 кг — масса гидразинового топлива.

Питание обеспечивается четырьмя солнечными батареями общей площадью 10,2 м², расположенными в разных плоскостях. Состоящие из 2860 элементов батареи обеспечивают мощность 1100 Вт. Накопление электроэнергии обеспечивается литий-ионным аккумулятором ёмкостью 20 А×час.

Электронная память имеет ёмкость для накопления данных и рассчитана на сбор данных в течение 60 дней. Данные на обработку транслируются пакетами раз в 30 дней. 

Фотометр

ПЗС-матрица «Кеплера» изогнута, чтобы компенсировать кривизну поля изображения.

Температурный режим работы

Корректор Шмидта, метровая слегка несферическая линза спереди телескопа, имеет температуру −30 °C, в то время как главное зеркало сзади −11 °C. ПЗС матрица в фокальной плоскости должна работать при температуре −85 °C для уменьшения детекторных шумов. С закрытой противопылевой крышкой (во время калибровки) большинство компонентов телескопа слегка теплее. Столь высокие температуры не требуют охлаждения сжиженным газом, срок работы ограничивается надёжностью техники.

Запуск РН Дельта-2 с КА Кеплер 7 марта 2009 года.

Область пространства, исследуемая телескопом Kepler, простирается примерно на 3 тыс. световых лет параллельно галактическому рукаву Ориона. Она «заселена» достаточно большим количеством звезд и в то же время почти не заслонена от нас темными облаками космической пыли.

На этом снимке, сделанном Картером Робертсом (Carter Roberts, Oakland, California), виден участок Млечного Пути, на который постоянно направлен космический телескоп Kepler. Каждый квадрат соответствует полю зрения пары элементов ПЗС-матрицы; всего в фокальной плоскости телескопа установлена 21 такая пара.

Ход миссии

Весьма специфичную форму имеет рабочая орбита телескопа. Kepler следует в нескольких миллионах километров позади Земли по чуть более вытянутой орбите, удаляясь от нашей планеты примерно на 40 тыс. км в сутки. Он постоянно освещается Солнцем, что обеспечивает его стабильную температуру и бесперебойную работу солнечных батарей. Вдобавок исключается влияние земных и лунных приливов на ориентацию аппарата в пространстве. 

Обсерватория запущена с космодрома на мысе Канаверал 6 марта 2009 года в 22:49 по времени Восточного побережья США (7 марта в 06:49 по московскому времени). На орбиту аппарат вывела ракета-носитель Дельта-2.

Дважды, в январе и марте 2006 года, запуск откладывался из-за финансовых проблем. Общая стоимость миссии составила приблизительно 467 миллионов долларов. 

2009

8 апреля 2009 года аппарат передал первый снимок, сделанный неоткалиброванной камерой фотометра. На нём находится около 4,5 миллионов звёзд созвездий Лебедя и Лиры. Несмотря на нечёткое изображение, на фотографии хорошо видны звезда TrES-2 (она имеет, как минимум, одну планету) и рассеянное скопление NGC 6791. До окончания калибровки «Кеплер» также обнаружил атмосферу у планеты — газового гиганта, демонстрируя, таким образом, великолепный потенциал новой обсерватории.

Британские учёные установили, что орбитальный телескоп «Кеплер» способен обнаруживать не только удалённые экзопланеты, но и их спутники. Расчёты показывают, что «Кеплер» теоретически может обнаруживать спутники экзопланет, с массами, превосходящими 0,2 земных.

2010

4 января 2010 года было объявлено об открытии первых 5 планет (Kepler-4 b, Kepler-5 b, Kepler-6 b,Kepler-7 b и Kepler-8 b). Все эти планеты являются «горячими Юпитерами» с периодом обращения от 3,3 до 4,9 дней.

9 января 2010 года вышли из строя 2 из 42 фоточувствительных модулей фотометра. Поле обзора «Кеплера», начиная с этого момента, уменьшилось примерно на пять процентов.

15 июня 2010 года были опубликованы результаты обработки данных, собранные телескопом за первые 43 дня наблюдений. «Кеплер» непрерывно наблюдал небосвод в течение этого времени и обнаружил 706 потенциальных планет, размер которых колеблется от размера Земли до размера, слегка превышающего Юпитер. Учёные представили данные о 306 самых «неинтересных» кандидатах — тех, которые с наименьшей вероятностью могут быть обитаемыми. Сведения об оставшихся 400 кандидатах, в число которых входят похожие на Землю планеты, исследователи запланировали перепроверить и опубликовать в феврале 2011 года.

2011

11 января 2011 года учёные сообщили об обнаружении рекордно малой известной экзопланеты — Kepler-10 b, радиус которой лишь в 1,42 раза больше, чем у Земли.

2 февраля 2011 опубликованы данные результатов наблюдений с 13 мая по 16 сентября 2009 года. В них сообщается о 1235 кандидатах в планеты. Из них 68 примерно размером с Землю; 288 суперземель; 662 размером с Нептун; 165 размером с Юпитер и 19 больше чем Юпитер. 54 планет кандидатов находится в обитаемой зоне, пять из которых по размерам близки к Земле.

23 сентября 2011 года опубликованы данные результатов наблюдений с 18 сентября по 16 декабря 2009 года.

В начале декабря 2011 года было объявлено об обнаружении первой, открытой «Кеплером», суперземли в обитаемой зоне (Kepler-22 b) и чуть позже об обнаружении планеты с радиусом меньше, чем у Земли (Kepler-20 e).

2012

В январе 2012 года объявлено об обнаружении трёх миниземель у звезды KOI-961, одна из которых размером с Марс.

4 апреля 2012 года было объявлено о продлении миссии телескопа по меньшей мере до 2016 года.

16 июля 2012 года произошла поломка одного из четырёх двигателей-маховиков гиростабилизированной платформы.

Ноябрь 2012 — Кеплер завершил основную часть своей миссии, но продолжит работу ещё в течение четырёх лет.

2013

7 января 2013 года на 221 съезде Американского астрономического общества были представлены результаты наблюдений с мая 2009 года по март 2011 года, число кандидатов доведено до 2740. Относительно данных, представленных в 2012 году, наблюдается преимущественный рост числа кандидатов величиной менее двух размеров Земли.

12 мая 2013 года произошла поломка двигателя-маховика № 4 гиростабилизированной платформы по ещё неизвестной причине. Ориентировка аппарата стала нестабильной и для вращения Кеплера будут использоваться двигатели ориентации, топлива для которых, как рассчитывают в NASA, хватит ещё на несколько месяцев.

16 мая 2013 появились сообщения в прессе об окончательном выходе из строя телескопа «Кеплер». До «Кеплера», находящегося на гелиоцентрической орбите, добраться невозможно, да и запуск «Кеплера» обошёлся дешевле, чем запуск «шаттлов».

2014

30 мая 2014 года официально стартовала новая миссия «К2», которая представляет собой наблюдение за яркими звёздами разных участков в плоскости эклиптики в течение примерно 75 суток. Вместо третьего двигателя-маховика в качестве стабилизирующего космический аппарат фактора, в этой миссии используется давление солнечного излучения.

2015

• В январе 2015 года число подтверждённых планет «Кеплера» превысило 1000. По крайней мере две (Kepler-438b и Kepler-442b) из открытых планет, анонсированных в том месяце были подобны земным и находились в зоне обитаемости.Также в январе 2015 года NASA сообщило, что 5 подтверждённых экзопланет земного типа, каждая размером меньше Венеры, были найдены на орбите звезды Kepler-444возрастом 11.2 миллиарда лет (80 % от возраста Вселенной), делающим эту звёздную систему старейшей из открытых в настоящий момент.

• В апреле 2015 года было объявлено о завершении кампании 4 (7 февраля — 24 апреля 2015), включающей наблюдение около 16,000 звёзд и двух примечательныхрассеяных звёздных скоплений, Плеяд и Гиад.

• В мае 2015 года «Кеплер» наблюдал только что открытую сверхновую, KSN 2011b (типа 1a), перед, в процессе и после взрыва. Детали перед взрывом сверхновой (англ. Details of the pre-nova moments) могут помочь ученым лучше понять тёмную материю.

• 24 июля 2015 года NASA объявило об открытии Kepler-452b, подтверждённой экзопланеты, имеющей размер с Землю и вращающуюся в обитаемой зоне звезды, похожей на наше Солнце. Эта звезда на 1,5 миллиарда лет старше, на 4 % массивнее и на 10 % ярче нашей звезды. Был выпущен седьмой каталог планет-кандидатов «Кеплера», содержащий 4 696 кандидатов, увеличив число кандидатов на 521 относительно предыдущего каталога, выпущенного в январе 2015 года.

Текущие результаты миссии

По состоянию на июль 2015 года подтверждена природа более 1000 планет из около 4700 кандидатов, открытых телескопом. Среди всех кандидатов 49 % имеют размеры меньше, чем 2 размера Земли. Примерно 40 % кандидатов входят в состав многопланетных систем. Кроме кандидатов в планеты, открытых группой учёных Кеплера, некоторые были открыты участниками проекта «Planet Hunters», куда входят также и любители астрономии.

10 апреля 2016 инженеры НАСА зафиксировали аварийное состояние «Кеплера». При этом телескоп автоматически стабилизировался и направил антенну на Землю, позволив инженерам получить телеметрию. 11 апреля контроль над телескопом был восстановлен. 30 октября 2018: официальный представитель NASA Пол Херц объявил о завершении миссии космической обсерватории Kepler. 15 ноября 2018 года «Кеплер» прекратил свою работу так как топлива для возврата на орбиту не хватало. В эту дату умер Иоганн Кеплер. Вероятно, NASA дождалось этого дня и отключило «Кеплер».

Наиболее примечательные открытия «Кеплера»

Некоторые системы с единственным гигантом, открытые «Кеплером»:

• Kepler-4 b, Kepler-5 b, Kepler-6 b, Kepler-7 b, Kepler-8 b — первые подтверждённые планеты, открытые проектом «Кеплер», являются горячими гигантами ;
• Kepler-39 b — первый подтверждённый коричневый карлик;
• Kepler-45 — система с первым известным короткопериодическим юпитером, обращающимся вокруг красного карлика;

Некоторые многопланетные системы, открытые «Кеплером»:

• Kepler-9 — первая многопланетная система, открытая транзитным методом;
• Kepler-10 — система из двух суперземель, одна из которых, Kepler-10c, представляет собой самую массивную «каменную» суперземлю из всех известных экзопланет;
• Kepler-36 — жёлтый субгигант с системой из двух транзитных планет, обращающихся на чрезвычайно тесных орбитах друг к другу: Kepler-36 b —суперземля, имеющая диаметр в 1,49 раз больше земного, и состоящая преимущественно из каменных пород, Kepler-36 c — мининептун, по размеру в 3,68 раз больше Земли;
• Kepler-223 — система с четырьмя планетами, суперземлями или нептунами, обращающимися на орбитах с взаимными резонансами 8:6:4:3;
• Kepler-37 — система, содержащая наименьшую из всех известных экзопланет: радиус Kepler-37 b составляет 0,354 земного, то есть лишь ненамного меньше радиуса Меркурия;
• Kepler-138 — звезда красный карлик, вокруг которой известно три транзитные планеты,
• Kepler-11 — звезда с, как минимум, шестью транзитными планетами. Шесть планет вращаются вокруг Kepler-11, каждая из которых больше Земли. Крупнейшая планета похожа по размерам на Нептун, который почти в четыре раза больше Земли.
  Самая дальняя от Kepler-11 планета имеет орбиту, которая немногим больше, чем у Меркурия, ближайшей к нашему Солнцу планеты. У пяти других планет орбиты еще меньше, то есть эти огромные планеты ближе к своей звезде, чем любая планета в нашей Солнечной системе к Солнцу. Каким образом эти планеты умудряются избегать взаимного притяжения? А они и не избегают. Вся система похожа на месиво, где орбита каждой планеты управляется другими и их гравитационным притяжением. Мы пока не можем объяснить, как работает эта хаотическая, но стабильная солнечная система. Но существует она миллионы лет, что говорит о синхронном танце орбит.

• Kepler-90 — система с 7 транзитными планетами наряду с системой HD 10180 является самой густонаселённой;
• Kepler-444 — компактная система древней звезды класса K2V, состоящая из 5 планет с размерами меньше Земного;

Планеты в системах тесных двойных звёзд, открытые «Кеплером»:

• Kepler-47 — система с тремя транзитными планетами, которые обращаются вокруг двойной затменной звезды: одна из планет находится в общей зоне обитаемости звёздной пары;
• Kepler-64 (PH1) — иерархическая четырёхкратная звёздная система, вокруг одной из пар которой вращается планета, которая была найдена волонтёрами проекта «Planet Hunters» в научных данных «Кеплера», по размеру планета в 6,18 раз больше Земли;

Планеты в зоне обитаемости, обнаруженные «Кеплером»:

• Kepler-22 b — первая планета, обнаруженная телескопом в обитаемой зоне звезды: скорее всего представляет собой миниатюрный аналог Нептуна;

• Kepler-62 — система оранжевого карлика, включающая пять планет, две из которых обращаются в обитаемой зоне и имеют размер суперземли;
• Kepler-69 — система жёлтого карлика с двумя известными планетами, одна из которых вращается во внутреннем крае зоны обитаемости;

• Kepler-296 — система красного карлика, по-меньшей мере одна из планет (e) которого находится в зоне обитаемости; оценка её радиуса — 1,53 ± 0,26 земных;
• Kepler-186 — пятипланетная система, включающая планету размером с Землю, обращающуюся с периодом ~130 суток на внешней кромке зоны обитаемости;
• Kepler-438 b — планета с радиусом 1,12 R⊕, вращающаяся в обитаемой зоне красного карлика с периодом ~35 суток; скорее всего представляет собой аналог Венеры наряду с Kepler-395 с;
• Kepler-442 b — планета с радиусом 1,34 R⊕ в обитаемой зоне звезды позднего спектрального класса K, обращается с периодом ~112 суток;
• Kepler-452 b — планета с радиусом 1,6 R⊕, вращающаяся в обитаемой зоне похожей на Солнце звезды с периодом ~385 суток;

Другие системы, обнаруженные «Кеплером»:

• Kepler-21 b — горячая суперземля у F-субгиганта;
• KIC 12557548 — система оранжевого карлика со светимостью 0,14 солнечных на расстоянии примерно 470 парсек, содержащая быстро испаряющуюся планету с массой 0,1 массы Земли, которая обращается с периодом 15,685 часов;
• Kepler-78 b — планета размером с Землю, обращающаяся на орбите с одним из самых коротких периодов среди всех известных экзопланет, что делает эту планету очень горячей;
• Kepler-421 b — планета размером с Нептун, которая имеет самый длинный период обращения среди известных транзитных планет, находится вблизи снеговой линии ;
• Kepler-409 b — планета с диаметром 1,19 диаметра Земли, обращающаяся с периодом 69 суток вокруг подобной Солнцу звезды: вероятно является первым наиболее точным аналогом Венеры;

Объекты, обнаруженные «Кеплером», имеющие непланетную природу:

• KOI-74 b — транзитный белый карлик с массой 0,252 массы Солнца, обращающийся с периодом 5,19 суток вокруг A1V звезды;
• KOI-256 — тесная двойная система, состоящая из белого карлика и красного карлика вращающихся вокруг общего центра масс за 1,38 суток.

Также:

Экзопланета Kepler-76b была открыта благодаря вычислениям, основанным на специальной теории относительности Эйнштейна. 

Эта планета - газовый гигант, в 2 раза больше Юпитера по массе, и на 25% - по размеру. Сутки на этой планете длятся 1,5 земных суток.

В существование такой планеты ученые не слишком верили, несмотря на то, что ее существование было предсказано специальной теорией относительности. И совсем недавно такая планета была действительно открыта.

В 2012 году космический телескоп Кеплера обнаружил газовый гигант чуть больше Нептуна, у которого четыре солнца. Находка поставила ученых в тупик. Они не понимают, как этого газового гиганта не разорвала одновременная гравитация четырех солнц. Они также не могут объяснить, как он поддерживает «по-видимому стабильную орбиту», чего мало ожидаешь от четырех солнц, вокруг которых вращается планета.

Интересно также, что это открытие сделало не NASA. Хотя данные были получены от телескопа Кеплера, астрономы-любители из группы Planet Hunters («Охотники за планетами») изучали данные и наткнулись на это чудо. Планета получила название PH1 (от «Planet Hunters 1»).

Общее число планет земных размеров в Млечном Пути

Среди открытий Кеплера не только отдельные планеты или звезды. Иногда астрономы используют его данные, чтобы делать прогнозы о нашей галактике Млечный Путь. Одним из таких предсказаний стала грубая оценка числа планет земных размеров в нашей галактике.

Исходя из данных телескопа, астрономы сделали вывод, что 17 процентов звезд Млечного Пути имеет планету земного размера на орбите. Порядка 25 процентов звезд галактики имеют "суперземлю" и еще 25 процентов на орбите имеют мини-Нептун.

Учитывая приблизительно 100 миллиардов звезд в Млечном Пути, можно подсчитать, что у нас есть 17 миллиардов планет размером с наш дом. И мы даже не начали учитывать "чужие Земли", планеты, на которых могла бы гнездиться жизнь, пока нам не известная.


Полный список обнаруженных планет :  http://kepler.nasa.gov/Mission/discoveries/