Мишель Кунимото (Michelle Kunimoto), изучающая астрономию в университете Британской Колумбии (Канада), занимается поиском планет в других звёздных системах. Недавно она провела систематический анализ зашумлённых данных космического телескопа Kepler, что позволило «вручную» открыть ещё 17 экзопланет, не попавших в поле зрения при автоматизированной обработке световых кривых от звёзд, снятых телескопом. Одна из планет похожа на Землю и располагается в «зелёной зоне», где возможна жизнь.
Статья по результатам работы вышла 25 февраля в The Astronomical Journal. Ранее тем же методом, анализируя ограниченную выборку данных «Кеплера», Мишель удалось обнаружить четыре «планеты-кандидата», из которых также одна находилась в зоне потенциальной обитаемости.
Космический телескоп Kepler NASA — спутник, специально предназначенный для поиска экзопланет методом транзита. Он проработал на орбите с перерывами с 2009 по 2018 годы, непрерывно мониторя около 200 000 звёзд на узком участке неба в созвездиях Лебедя и Лиры на расстояниях до 3000 световых лет. Эта линия зрения телескопа направлена немного в сторону по отношению к диску нашей Галактики — компромисс, позволяющий видеть всё ещё множество звёзд поблизости, и в то же время избавиться от «засветки» многочисленных фоновых звёзд Млечного Пути. В настоящее время эту же задачу решает космический телескоп TESS, однако он предназначен для обзора почти всего неба и поиска планетных систем у ближних звёзд на расстояниях до 100—200 световых лет (подробнее см. в нашей заметке).
Транзитный метод — одна из двух самых распространённых и ранних техник поиска экзопланет, вместе с методом радиальной скорости. Изучается «световая кривая» звезды — зависимость интенсивности её свечения от времени. При прохождении («транзите») планеты перед нами по диску звезды её яркость несколько падает, что можно зафиксировать. Период повторяемости транзитов — это период обращения планеты, из чего можно определить её расстояние до звезды и отсюда сделать вывод о температуре и климате, а по падению яркости вычислить размер планеты. Более тонкие параметры световой кривой иногда позволяют даже судить о вращении планеты и её атмосфере. Но падение яркости при транзите составляет доли процента (например, для Юпитера и Солнца это 1 %), и такой сигнал легко перекрывается шумами — в связи с переменной активностью звезды, от погрешностей инструмента и т. д. Поэтому описанная идеальная схема на практике превращается в нетривиальную обработку временного ряда сигнала с выделением периодических составляющих, которые предположительно соответствуют транзитам. Для обнаружения необходимо зафиксировать хотя бы несколько прохождений планеты, поэтому планеты с периодом обращения в несколько лет или десятилетий, вроде наших планет от Юпитера и дальше, заведомо недоступны. Более подробно об экзопланетологии и её методах можно узнать из бесплатно доступного онлайн-курса на edx.org Astrophysics: Exploring exoplanets, подготовленного преподавателями Австралийского национального университета (Australian National University).
Обработка данных «Кеплера» от разных звёзд поставлена на поток: на сегодня около 2,6 тысячи планет из открытых 4 тысяч обнаружено при его помощи. При массовой автоматизированной обработке данных рассматриваются только сигналы довольно высокой чистоты (высокое соотношение сигнал/шум), иначе количество ложных срабатываний растёт лавинообразно. Поэтому сигналы ниже установленного для потоковой обработки «Кеплера» порога S/N (7,1) представляют широкое поле для исследователей, желающих поработать с временными рядами поштучно. Такой обработкой сейчас занимаются многие, более того, поиск экзопланет по его данным также передан любителям в рамках проектов citizen science (Planet Hunters).
Заслуга М. Кунимото и состоит в такой специализированной доводке базы данных от космического телескопа. Раньше в работе 2018 года в The Astrophysical Journal авторы также рассмотрели поднабор из 400 его звёзд, найдя четыре экзопланеты «в ручном режиме» (из них одна находится в зоне обитаемости). В этот раз они совершили систематический поиск по всей базе «Кеплера», выбрав более зашумлённые сигналы, которые исключались из рутинной обработки в самом проекте Kepler.
Анализ также предполагает потоковую полуавтоматизированную обработку данных «Кеплера» с определёнными критериями отсева, более мягкими, чем исходные его алгоритмы. При этом рассматриваются звёзды-кандидаты на наличие планетных систем, в которых зафиксировано не менее трёх предположительных транзитов планет, и с соотношением сигнал-шум от 6 и выше. Используется серия дополнительных проверок, позволяющих отличить истинный сигнал транзита от шума. Прошедшие отбор звёзды, если они ранее не были замечены штатными алгоритмами «Кеплера», дальше анализировались вручную также с применением множества статистических проверок. Процедура включает и вбрасывание в данные искусственно сгенерированных световых кривых от фейковых планет для проверки методики на ложные срабатывания и «пропуск цели» (то есть статистические ошибки 1 и 2 рода). Кроме того, алгоритм проверяется на подмножестве уже заведомо известных планет, обнаруженных ранее по данным «Кеплера». Авторы разработали свободно доступный набор скриптов на языке Python, использующихся на основных этапах исследований: желающие могут проверить результаты или продолжить исследования, используя эти программы. Однако при работе с такими шумными данными на завершающем этапе пока что необходим опыт астрофизика.
Семнадцать обнаруженных планет имеют размеры от Марса до Юпитера и, очевидно, отличаются по составу. Только одна из них относится к земному типу и расположена в «зоне потенциальной обитаемости», или habitable zone. На сегодня из всех обнаруженных «Кеплером» планет к этому классу относятся всего 15. Она носит наименование KIC-7340288 b (KIC — Kepler Input Catalog), в полтора раза больше Земли, вращается вокруг небольшой звезды с периодом 142 дня примерно на орбите Меркурия, но получает в три раза меньше солнечной энергии по сравнению с Землёй. Расстояние до звезды около 1000 световых лет.
Цель этого и подобных исследований — не только открытие очередного набора планет. Во-первых, это — изучение условий, при которых формируются планеты, включая Землю, и может зарождаться жизнь на них. Побочный продукт — развитие инструментальных методов наблюдений и методик обработки больших массивов данных и временных рядов, из которых выделяют слабые тренды, указывающие на экзопланеты. Кроме того, поиск экзопланет — неплохой бизнес, и не потому, что их собираются в ближайшей перспективе заселять или торговать виртуальными земельными лотами на них (как кое-кто недавно продавал земельные участки на Луне и Марсе). Экзопланеты хорошо «продаются» как объект научпопа, примерно так, как продаются динозавры, создавая тренды массовой культуры и индустрии развлечений. Обнаружение планет, «похожих на Землю» в предположительно благоприятных для жизни условиях создаёт оживлённые инфоповоды, поэтому такие находки астрономы особо подчёркивают. В конечном итоге это способствует повышению популярности фундаментальной науки, росту ассигнований на исследования и вовлечению в науку большего числа энтузиастов.
