Темнее на краю: как эффект лимбового затемнения помогает точнее измерить далёкие миры
Открытие новых экзопланет, в принципе, задача не самая сложная. Достаточно измерять яркость звезды с течением времени, и в момент, когда планета проходит по её диску (происходит транзит), яркость звезды slightly падает. Чем глубже это падение — тем больше планета по отношению к своей звезде. Этот транзитный метод настолько эффективен, что с его помощью было обнаружено большинство известных нам экзопланет. Однако сегодня астрономы ставят перед собой куда более амбициозные цели, чем просто открытие, и для их достижения необходимо погрузиться в детали.
Величина падения яркости звезды во время транзита называется глубиной транзита. Её можно увидеть на графиках кривых блеска, где есть средний уровень яркости и чётко выраженный провал. Проблема в том, что глубина транзита обычно крайне мала. Яркость звезды падает всего на доли процента. При этом собственный блеск звезды никогда не бывает постоянным: вспышки и пятна на её поверхности также заставляют её мерцать. Иногда эти variations почти так же велики, как и глубина транзита, что серьёзно затрудняет анализ и вносит неопределённость.
Здесь на помощь приходит статистика. Чтобы определить глубину транзита, среднюю измеренную яркость звезды сравнивают со средней яркостью во время транзита. Разумеется, у этого результата есть своя погрешность, а значит, и наши знания о размерах экзопланеты столь же неточны. Но недавнее исследование показывает, как эту неопределённость можно значительно уменьшить, и ключ к решению кроется в интересном эффекте, известном как лимбовое затемнение.
Лимбовое затемнение — это явление, при котором edge (лимб) звезды выглядит немного темнее, чем её центр. Эффект связан с углом нашего обзора. Свет, идущий от центра диска, исходит из более глубоких и горячих слоёв звезды. Свет же с краёв проходит через более толстый слой атмосферы звезды по направлению к наблюдателю, а значит, исходит из более холодных областей ближе к поверхности. Этот эффект присущ всем звёздам, а его степень зависит от толщины их верхней атмосферы.
Как отмечается в недавнем исследовании, размещённом на сервере препринтов arXiv, лимбовое затемнение статистически влияет на измеряемую глубину транзита. Когда экзопланета только начинает своё движение по диску звезды, она сначала проходит затемнённую область у края. Это означает, что падение яркости в этот момент меньше ожидаемого. И лишь когда планета достигает более яркого центра диска, глубина транзита становится максимальной. В результате статистика, основанная на всей кривой блеска, имеет бо́льшую погрешность.
Авторы работы demonstrate, что эту неопределённость можно drastically сократить, если учесть эффект лимбового затемнения. Если нам известны степень и масштаб этого эффекта для конкретной звезды, данные транзита можно скорректировать с их учётом. Оказалось, что при точном учёте лимбового затемнения точность определения глубины транзита (а значит, и радиуса планеты) можно увеличить впятеро.
К сожалению, прямо наблюдать лимбовое затемнение нам удалось лишь у Солнца и нескольких других звёзд (например, Бетельгейзе), которые мы видим не как точку, а как диск. Для подавляющего большинства звёзд это невозможно. Однако эффект можно успешно смоделировать. Зная тип звезды и её положение на главной последовательности, мы можем создать модель её верхней атмосферы. Эти параметры определяются по спектру звезды, поэтому подход, предложенный авторами, является вполне реализуемым на практике.
Это открытие открывает новые горизонты в изучении экзопланет. Повышение точности измерений в пять раз — это колоссальный прорыв. Теперь астрономы смогут:
- Точнее определять состав планет. Размер планеты является ключевым параметром для оценки её плотности, а значит, и для предположений о том, является ли она каменистой, газовым гигантом или водным миром.
- Лучше изучать атмосферы. Во время транзита свет звезды проходит через атмосферу планеты (если она есть), и её химический состав можно определить с помощью спектроскопии. Более точная базовая кривая блеска позволит яснее выделить тонкие сигналы от атмосферных газов.
- Обнаруживать более мелкие планеты, в том числе похожие по размеру на Землю, у более ярких звёзд, где шумы особенно сильны.
Таким образом, учёт, казалось бы, технического эффекта лимбового затемнения превращается в мощный инструмент, который позволит нам заглянуть в самые сокровенные тайны далёких миров с前所未有的 точностью.
В нашем Telegram‑канале, и группе ВК вы найдёте новости о непознанном, НЛО, мистике, научных открытиях, неизвестных исторических фактах. Подписывайтесь, чтобы ничего не пропустить.
