Під час перерви в дослідженні планет навколо інших зірок місія ESA ExOPlanet Satellite (Cheops) спостерігала карликову планету в нашій Сонячній системі та зробила вирішальний внесок у відкриття щільного кільця матеріалу навколо неї.
Карликова планета відома як Квавар. Наявність кільця на відстані, що майже в сім з половиною разів перевищує радіус планети, відкриває для астрономів таємницю: чому цей матеріал не об’єднався в маленький місяць?
Як спостерігати за далекими об'єктами в Сонячній системі
Кільце було виявлено в результаті серії спостережень, які проводилися з 2018 по 2021 рік. Використовуючи наземні телескопи і космічний телескоп зонду Хеопс, астрономи спостерігали, як Квавар перетинає низку далеких зірок, ненадовго блокуючи їхнє світло, опиняючись між зірками та спостерігачами.
Така подія відома як окультація. Спостереження за тим, як проходить світло від прихованої зірки, дає інформацію про розмір і форму прихованого об’єкта, а також може виявити, чи має об’єкт атмосферу. У цьому випадку спостереження затемнення виявили наявність якогось матеріалу на орбіті навколо Квавара.
Квавар є одним із набору малих віддалених світів, відомих як транснептунові об’єкти (TNO). Таких відомо близько 3000. Як випливає з назви, TNO знаходяться у зовнішніх межах Сонячної системи, за орбітою планети Нептун. Найбільшими з таких об'єктів є Плутон і Еріда. З орієнтовним радіусом 555 км Квавар займає сьоме місце в списку розмірів TNO, і навколо нього обертається невеликий супутник під назвою Вейвот, радіусом приблизно 80 км.
Вивчати ці карликові планети важко через їхні малі розміри та надзвичайну віддаленість. Сам Квавар обертається навколо Сонця на відстані майже в 44 рази більшій, ніж відстань між Сонцем і Землею. Отже, окультації є особливо цінними процесами для спостережень. Однак донедавна було важко точно передбачити, коли і де вони відбудуться.
Щоб відбулося затемнення, вирівнювання між об’єктом затемнення, зіркою та телескопом для спостереження має бути надзвичайно точним. У минулому було майже неможливо виконати суворі вимоги до точності, щоб бути впевненим у спостереженні події. Тому для досягнення цієї мети був створений проект Європейської дослідницької ради Lucky Star, який координує Бруно Сікарді з Університету Сорбонни та Паризька обсерваторія — PSL (LESIA), щоб передбачити майбутні затемнення TNO та координувати спостереження за цими подіями з професійних та аматорських обсерваторій з усього світу.
Точне вирівнювання
Останнім часом кількість спостережуваних затемнень зірок зросла. Значною мірою це пов’язано з даними, отриманими від місії ESA Gaia для картографування зірок. Космічний корабель забезпечив приголомшливу точність визначення своїх зіркових позицій, тому прогнози, зроблені командою Lucky Star, стали набагато точнішими.
Одним з дослідників, які беруть участь у проекті Lucky Star, є Ізабелла Пагано з Астрофізичної обсерваторії INAF у Катанії (Італія), член Ради проекту Cheops. «Я трохи скептично ставилася до можливості зробити це за допомогою CHEOPS, — зізнається Ізабелла, — але ми досліджували доцільність». Основна проблема полягала в тому, що траєкторія супутника може бути дещо змінена через лобовий опір у верхніх шарах атмосфери Землі. Це може бути пов’язано з непередбачуваною сонячною активністю, яка може вдарити по нашій планеті та «роздути» її атмосферу.
Дійсно, коли вперше команда спробувала спостерігати затемнення за допомогою Хеопса, яке включало Плутон, передбачення було недостатньо точним, і ніякого затемнення спостерігати не вдалося.
Однак з другої спроби вирівнювання було сприятливішим, коли вони спостерігали за Кваваром. Роблячи це, вони вперше в історії виявили затемнення зірок транснептуновим об’єктом із космосу.
Надіньте на нього кільце
«Дані Хеопса дивовижні у співвідношенні сигнал/шум», — каже Ізабелла. Співвідношення «сигнал/шум» є мірою того, наскільки сильним є виявлений сигнал до випадкового шуму в системі. Cheops дає чудовий сигнал шуму, оскільки телескоп не дивиться крізь викривлюючі ефекти нижньої атмосфери Землі.
Ця ясність виявилася вирішальною для розпізнавання кільцевої системи Quaoar, оскільки дозволила дослідникам виключити ймовірність того, що падіння світла було спричинено хибним ефектом в атмосфері Землі. Об’єднавши декілька вторинних виявлень, зроблених телескопами на Землі, можна було переконатися, що вони були спричинені системою кілець, що оточує Квавар.
Бруно Моргадо з Федерального університету Ріо-де-Жанейро (Бразилія) очолив аналіз. Він поєднав дані зонду Cheops з даними великих професійних обсерваторій з усього світу та громадянських вчених-аматорів, які спостерігали Quaoar за окультними зірками протягом останніх кількох років. «Коли ми зібрали все разом, ми побачили падіння яскравості, які не були спричинені Quaoar, але це вказувало на присутність матеріалу на круговій орбіті навколо нього. У той момент, коли ми це побачили, ми сказали: «Добре, ми бачимо кільце навколо Квавара».
Кільце Квавара набагато менше, ніж кільце Сатурна, але не менш інтригуюче. Це не єдина система кілець, яка існує навколо карликової або малої планети. Два інших – навколо Чарікло та Хаумеа – були виявлені наземними спостереженнями. Саме розташування кільця відносно самого Кваоара є унікальним.
Ліміт Роша
Будь-який небесний об’єкт із значним гравітаційним полем матиме межу, у межах якої небесний об’єкт, що наближається, буде розірваний на частини. Це відоме як межа Роша. Очікується, що щільні кільцеві системи існуватимуть у межах ліміту Роша, як у Сатурна, Чарікло та Хаумеа.
«Отже, що настільки інтригує в цьому відкритті навколо Quaoar, так це те, що кільце матеріалу знаходиться набагато далі, ніж ліміт Роша», — говорить Джованні Бруно, з астрофізичної обсерваторії INAF у Катанії (Італія).
Це поки таємниця, тому що згідно з традиційним підходом, кільця за лімітом Роша об’єднаються в маленький місяць лише за кілька десятиліть. «В результаті наших спостережень класичне уявлення про те, що щільні кільця зберігаються лише в межах ліміту Роша планетарного тіла, має бути ретельно переглянуто», — говорить Джованні.
Перші результати свідчать про те, що низькі температури на Кваварі можуть зіграти певну роль у запобіганні злипанню крижаних частинок, але необхідні додаткові дослідження. Поки теоретики починають працювати над тим, як кільця Quaoar можуть вижити, проект Lucky Star продовжить розглядати Quaoar, а також інші TNO, оскільки вони приховують далекі зірки, щоб виміряти їхні фізичні характеристики та побачити, скільки інших також мають кільцеві системи.
І тепер космічний апарат Хеопс повернеться до своєї початкової місії з вивчення сусідніх екзопланет.
Ще про місію Cheops
«Хеопс» — це місія ESA, розроблена у партнерстві зі Швейцарією, спеціальним консорціумом на чолі з Бернським університетом, а також з важливим внеском Австрії, Бельгії, Франції, Німеччини, Угорщини, Італії, Португалії, Іспанії, Швеції та Великобританії.
ESA є архітектором місії Cheops, відповідальним за закупівлю та випробування супутника, етапи запуску та ранніх операцій, а також введення в експлуатацію на орбіті, Програму запрошених спостерігачів, через яку вчені з усього світу можуть подати заявку на спостереження за допомогою Cheops. Консорціум з 11 держав-членів ESA на чолі зі Швейцарією надав основні елементи місії. Головним підрядником з проектування та будівництва космічного корабля є Airbus Defense and Space у Мадриді, Іспанія.
