K2: «Второй свет» «Кеплера»

10.06.2014 Артём
Коржиманов

Я думаю, все, кто хоть немного интересуется космонавтикой, знают, что у самого успешного проекта по поиску экзопланет космического телескопа «Кеплер» некоторое время назад начались технические проблемы. В этом, в общем-то, нет ничего удивительного, ведь спутник и так перевыполнил план своих работ: рассчитанный на три с половиной года, он без особых проблем отработал более 4 лет.

Специалисты NASA, однако, не бросили аппарат, как это было, например, с недавно переданным энтузиастам спутником ISEE-3. Вместо этого был найден способ продолжить работу спутника в несколько изменённом режиме. Так что «Кеплер» продолжит радовать любителей и специалистов новыми открытиями, но теперь уже как проект K2.

В этом посте я хочу рассказать, в чём же заключаются сделанные изменения.

Как работал «Кеплер»

Давайте я сначала напомню, как «Кеплер» работал изначально. Работа «Кеплера» по обнаружению экзопланет основана на методе транзитной фотометрии. Суть метода очень проста. Если у удалённой звезды есть планета, и при своём вращении эта планета проходит по диску звезды, то видимая яркость светила будет периодически снижаться на небольшую величину, зависящую от диаметра планеты и радиуса её орбиты.

Простенькая анимация, демонстрирующая суть транзитного метода

Такое потемнение может быть зарегистрировано достаточно чувствительным фотометром. Установленное на «Кеплере» оборудование имеет чувствительность на уровне 20 ppm (миллионных частей) для звезды типа Солнца 12-й видимой звёздной величины при наблюдении в течении 6,5 часов. Для сравнения естественные колебания яркости Солнца составляют около 10 ppm, центральный транзит Земли вызывает потемнение на уровне 80 ppm и продолжается около 13 часов.

Поле, охватываемое камерой «Кеплера», составляет 105 квадратных градусов. В него попадало более 100 000 звёзд нужной яркости, за которыми необходимо было вести непрерывное наблюдение. Ведь затмение для планеты земного типа обычно продолжается всего несколько часов, а случается около одного раза в год, и для уверенного обнаружения планеты необходимо зафиксировать потемнение раза три-четыре.

Именно из этих соображений «Кеплер» всегда смотрел в одну и ту же точку неба (лежащую вне эклиптики, чтобы Солнце не мешало наблюдениям). Стабилизация телескопа в одном направлении достигалась за счёт трёх двигателей-маховиков, один из которых сломался 12 июля 2012 года — за 4 месяца до конца основного этапа миссии — и был оперативно заменён четвёртым запасным. Так спутник успешно проработал ещё чуть меньше года, но когда в мае 2013 года сломался и второй из маховиков, миссия, фактически, подошла к концу. Двух оставшихся для надёжной стабилизации аппарата недостаточно.

K2 — используем Солнце!

Инженеры NASA, однако, немного поломав голову и собрав различные поступившие к ним предложения, нашли элегантный способ продлить жизнь полезного инструмента. Поскольку два гироскопа всё-таки, исправны, то их можно использовать и дальше, подумали, они, но требуется найти что-то третье, что добавило бы жёсткости фиксации телескопу. И таким третьим стало Солнце.

Самое удивительное, это то, каким именно образом Солнце будет фиксировать аппарат. Предполагается использовать… световое давление, которое оказывают испущенные Солнцем фотоны на спутник! Да, конечно, это давление не очень велико, но и другие силы в открытом космосе малы, поэтому его должно хватить, чтобы выравнять «Кеплер» относительно нашей звезды.

Проблема, однако, заключается в том, что для надёжной стабилизации аппарат должен быть ориентирован практически параллельно плоскости эклиптики. Это означает, что Солнце будет периодически попадать в поле зрения телескопа и выведет его из строя. Поэтому проект второй жизни «Кеплера», получивший название K2, будет наблюдать не за одной точкой неба, а за девятью, каждые 83 дня меняя их — периодически как бы отворачиваясь от Солнца.

Расположение девяти областей наблюдения K2 на небе.

В ходе миссии K2, которая продлится 4 года, будет промониторено около 100 000 звёзд. Конечно, эффективность обнаружения экзопланет снизится и из-за ухудшенной стабилизации, и из-за того, что будет невозможно наблюдать за одной и той же звездой непрерывно, но несмотря на это, учёные надеются получить новые данные об экзопланетах. В первую очередь речь идёт о наблюдении за более холодными, чем Солнце, звёздами, в системах которых потенциально обитаемые планеты вращаются по меньшим орбитам и совершают полный оборот за меньшее время.

Помимо экзопланет, в рамках проекта K2 будут наблюдать также за яркими галактиками и сверхновыми.

Предложенный подход уже был проверен на аппарате, и был утверждён в NASA в мае. И уже 30 мая миссия официально начала сбор научных данных. Первые результаты, видимо, следует ждать к началу следующего года, так что будем ждать.

Эта статья в несколько другой редакции была изначально опубликована на Хабрахабре