Радиоастрономия и поиск экзопланет.

[Владей]

Такие соображения :
в настоящее время экзопланеты ищутся и находятся преимущественно по косвенным признакам, в редких случаях удается увидеть прохождение планеты по диску звезды , а случаи анализа собственного излучения планет вообще единичны. Между тем последний вариант наиболее информативен. Есть много проектов (Darwin,TPF) по получению изображений планет у других звезд в видимом, ИК и смежных диапазонах, но при нынешнем отношении к науке и ее финансировании, реализованы они будут очень нескоро. В связи с этим уместно обратиться к более простым способам наблюдения планет в других диапазонах. 

Большинство открытых планет - газовые гиганты типа Юпитера, очень разных размеров конечно, но качественно похожи. Юпитер имеет мощное магнитное поле и мощную магнитосферу и является вторым по мощности радиоизлучателем в солнечной системе. Мне встречались оценки средней мощности в 10^10 ватт, а пиковые  во время всплесков еще на несколько порядков больше. Основная доля этого излучения приходится на метровые/10метровые волны и может быть зафиксирована любым радиотелескопом. Все дело в мощности излучения в конкретных случаях экзопланет.Она определяется магнитным полем планеты и интенсивностью потока солнечного ветра, который ее обтекает.  За неимением никаких данных можно принять магнитное поле газового гиганта типа Юпитера сравнимым с магнитным полем нашего Юпитера. Интенсивность солнечного ветра обратно пропорциональна квадрату расстояния до звезды и зависит от его скорости. Поэтому наибольшего радиоизлучения следует ожидать от газовых гигантов обращающихся на небольшом расстоянии от звезды. Кроме того, этот способ в данный момент является чуть ли не единственным способным обнаружить небольшую планету типа Земли, но с магнитным полем, хотя вероятно такая планета и должна обращаться у своей звезды на расстояниях куда ближе чем Земля вокруг Солнца, или иметь заметно большее магнитное поле. Может быть помимо обычного "спокойного" радиоизлучения магнитосфер существуют какие-то вспышечные явления, которые проще зарегистрировать.

В любом случае такой способ поиска имеет интересные особенности, которых нет у традиционных вариантов. По радиоизлучению можно гораздо точнее установить орбиту планеты, может быть период вращения вокруг оси и ее наклон, может быть даже структуру и состав магнитосферы (с помощью радиоинтерферометрии с большой базой). Кроме того планеты с магнитным полем имеют большую вероятность сохранения жизни если она там все-таки зародилась. Некоторые трудности представляет определение массы планеты , хотя и здесь думаю есть какая-то корреляция с магнитным полем или суммарным магнитным моментом, или нормированной мощностью радиоизлучения.

Подозреваю что я не один такой умный, и наверняка аналогичные идеи выдвигались и ранее, но по крайней мере мне не попадались. Главное , что на этом форуме бывают люди, давно интересующиеся экзопланетами и способные дать грамотный комментарий вышеизложенным соображениям, особенно на тему числа возможных планет с магнитным полем, и возможных кандидатов на обнаружение радиоизлучения из уже известных экзопланет.

With best regards!

[DRUID_3]

Радиолюбители, развлечения ради, принимают радиоизлучение Юпитера на довольно простенькую аппаратура (далеко не рекордную которую они строят), прием происходит в КВ диапазоне...Но отсюда и проблема. Сейчас судорожно ищу информацию по характеру радиоизлучения (функцию распределения по частоте) для Юпитера, и если все же максимум приходится на КВ и метровые волны то фраза "...и может быть зафиксирована любым радиотелескопом..." явно не сюда, ибо такой телескоп единственный в мире:
http://www.astronomer.ru/news.php?action=1&nid=5 (тут его фото есть), сайт у него хилый:
http://ira.ira.kharkov.ua/utr2/
УТР-2 (порог обнаружения 12 Ян на частоте 20 МГц) - что очень не густо в сравнении со своими СВЧ собратьями...
Причем сейчас он переживает не лучшие времена, страдая от отсутствия финансов на модернизацию материальной базы и нападок мародеров. О других подобных телескопах мне не известно. Правда есть еще станции загоризонтальной радиолокации в Гренландии, у нас на Украине, в Росси и еще в нескольких местах. При некотором желании такая станция могла бы служит второй точкой для радиоинтерферометрии с большой базой, но беда в том, что это стратегические объекты первостепенной важности и "поиграться" с ними вряд ли кто даст.

"...Кроме того, этот способ в данный момент является чуть ли не единственным способным обнаружить небольшую планету типа Земли, но с магнитным полем..." не совсем понял, с полем отличным от земного или как!? Ибо Земля то его имеет.

[Самодуров Владимир]

Должен вылить ушатик холодной воды - радиоизлучение планет на много порядков (не менее чем на 4-5) слабее, чем радиоизлучение родительской звезды. Это было бы не так страшно, если бы сигналы были разного характера (допустим, разнесены по частотам, имели бы - у планеты импульсный характер, у звезды - шумовой). Но увы - этого нет. Шум на шуме - ничего не отделить. Кстати, обычные звезды в радиодиапазоне очень слабо излучают - даже у ближайших с огромным трудом радиоизлучение ловят. Есть, конечно, и необычные звезды с высоким радиоизлучением (см. ниже). А что же говорить о обычных планетах? 

Про радиоинтерферометрию. Радиоастрономы скромно помалкивают обычно вот о чем - чтобы уверенно построить картину (допустим, разделить звезду и планету) - объектьы должны иметь знАчимую яркость. По той причине, что время накопления при радиоинтреферометриии (в отличие от обычных методов радионаблюдений) обычно ограничивается порядка 1000 секунд - далее сигнал разбегается по фазе в ионосфере и за счет нестабильности хода атомных часов и "рассыпается", уже не складываясь. И - объект должен регистрироваться на всех радиотелескопах (ну, хотя бы на 3-х) сразу, иначе изображения не будет. А радиотелескопы-то разные, не все же как в Бонне 100-метровик! Стандарт де-факто сейчас в мире - от 25 до 40 метров. Это - среднего класса инструмент ---> опять же ограничение по яркости.

Так что, увы - для обычных планет никаких перспектив.

Но! Обрадую - а вот в областях звездобразования есть условия для генерации оченоь мощного т.н. мазерного радиоизлучения в линиях воды, гидроксила и некоторых других. И возникает оно в газовых  сгустках размера порядка астрономической единицы (и ее десятых долей в редких случаях). И есть куча свидетельств , что многие из них являются формирующиемися прямо на наших глазах (динамика изменений излучения - месяцы и даже дни иногда!) протопланетными сгустками. И видать их - и радиоинтерферометрией, и одиночными радиотелескопами - как угодно. У нас в Пущино большая выборка мазерных источников наблюдается с начала 80-х годов. Уже вылезли многогодичные циклы, типа солнечных, есть указания на движения протопланет около центральной звезды, и т.п., и т.д. Вот так. 

[Владей]

Должен вылить ушатик холодной воды - радиоизлучение планет на много порядков (не менее чем на 4-5) слабее, чем радиоизлучение родительской звезды. Это было бы не так страшно, если бы сигналы были разного характера (допустим, разнесены по частотам, имели бы - у планеты импульсный характер, у звезды - шумовой). Но увы - этого нет. Шум на шуме - ничего не отделить. Кстати, обычные звезды в радиодиапазоне очень слабо излучают - даже у ближайших с огромным трудом радиоизлучение ловят. Есть, конечно, и необычные звезды с высоким радиоизлучением (см. ниже). А что же говорить о обычных планетах? 

вот тут непонятно.
Общую мощность излучаемую звездой типа солнца в метровых-декаметровых волнах можно оценить по формуле Джинса :
W = (2*pi*k*T/lamda^2) * 4pi*R^2*delta_nu,
где T - температура короны звезды ~ 1е+6 К, R- радиус этой самой короны (или звезды) , для круглого счета 1е+6 км, delta_nu - интервал частот, ну допустим 100 МГц, длину волны положим 3 м. Получается порядка 1е+11 Вт.  Как уже упоминалось, Юпитер в этом же диапазоне светит мощность ~1е+10-1е+11 ватт. Величины как минимум сравнимые, поэтому экзопланета отнюдь не будет теряться на фоне звезды в этом диапазоне, может быть даже наоборот. Опять же надо покопаться в механизмах излучения магнитосфер, может там тоже мазерные эффекты есть.

теперь собственно про планеты. список на http://vo.obspm.fr/exoplanetes/encyclo/catalog-main.php предлагает большой выбор кандидатов. Нам нужна планета размером хотя бы с Юпитер, чтоб больше была вероятность наличия сильного магнитного поля, желательно поближе к своей звезде, ну а звезда чтоб была поближе к солнцу. Так как в конечном итоге мощность излучения магнитосферы определяется солнечным ветром, а он в свою очередь спадает обратно пропорционально квадрату расстояния от звезды, то можно предположить , что планета (типа Юпитера) обращающаяся на расстоянии 0.1 ае от своей звезды будет в радиодиапазоне светить в тысячи раз сильнее нашего Юпитера на 5 ае от солнца. Таких планет в списке полно. Некоторые из "ярких":

Имя, масса Msin(i) в Mj, большая полуось, расстояние до звезды.
Gl 86 b, M=4, Sma=0.11 au, Distance=11 pc
Tau Boo b, M=3.9, Sma=0.046 au, Distance=15 pc
все 3 планеты у Ups And , Distance=13.47 pc
rho CrB b, M=1.04,Sma=0.22, Distance=16.7 (± 1.7) pc 

Можно ожидать, что их светимость в метровом-декаметровом диапазоне будет на 3-4 порядка больше чем у нашего юпитера, то есть в районе 1е+14..1е+15 ватт. На  расстояниях в пределах 10-20 парсек до земли доберется сигнал ~1е-20..1е-21 Вт/м2, не знаю сколько это будет в янских. Вообще конечно не фонтан, но наверно где-то на пределе чувствительности нынешних радиотелескопов. По крайней мере можно просканировать ближайшие звезды (<10 pc) и если там есть такие "Юпитера", то вероятность их обнаружения будет заметно выше нуля.

[olegtitov]

Прошу прощения, я что-то не понял, каким образом предлагается искать планету возле родительской звезды. По-видимому, возможно 3 варианта

1. По переменности потока радиоизлучения (наверно, переменность должна быть какая-то характерная);
2. По радиоизображению (просто на картинке рядом со звездой будет видна планета). И эта картинка будет меняться из-за орбитального вращения;
3. По периодическому изменению координат самой звезды. Если большая планета типа Юпитера, вращаясь, вокруг звезды, будет немного "сдвигать" ее координаты.

Какие из этих вариантов предлагается к реализации? Или же есть какой-то четвертый вариант?

[Critic]

Ещё интересная идея. Только что вышла статья:
V. Minier and C. Lineweaver. A search for water masers toward extrasolar planets Astronomy and Astrophysics, 2006, 449, No.2, 805-808 - поиск водяных мазеров во внесолнечных планетах. Статья пока есть в свободном доступе (если зарегистрироваться на сайте) здесь http://www.edpsciences.org/articles/aa/abs/2006/14/contents/contents.html
Если не успеете, есть ещё препринт: http://ru.arxiv.org/pdf/astro-ph/0602390
Идея в том, что если планета ледяная (как Уран, Нептун) и находится близко к своей звезде (как многие из уже открытых экзопланет), она будет испаряться и за ней потянется протяженный газовый хвост наподобие кометного, в том числе из молекул H2O. При подходящих условиях возбуждения может быть мазерный эффект. Мазерное излучение в линии H2O на волне 1.35 см наблюдается у многих звёзд поздних классов с протяжёнными газо-пылевыми оболочками - мирид и полуправильных переменных. Почему бы такому не быть и в случае испаряющейся экзопланеты? С помощью радиоинтерферометра Австралийского телескопа Minier, Lineweaver попытались найти излучение в линии H2O у 18 близких звёзд с известными экзопланетами, в том числе знаменитой Эпсилон Эридана, а также Тау1 Журавля, Иота Часов, Эпсилон Сетки и др. (все южные). Результат пока отрицательный, ожидаемый сигнал слишком слабый. Но будем надеяться на будущее, в том числе на проектируемый радиотелескоп SKA с площадью 1 кв. км.

[Владей]

Critic
мазер - это хорошо. меня признаться посещали похожие идеи, но несколько другого диапазона. Лет 20 назад был обнаружен лазерный эффект в атмосферах Венеры и Марса. Светили молекулы углекислого газа (основного составляющего атмосфер этих планет) при колебательно-вращательных переходах, длина волны около 10 мкм, детектирование осуществлялось путем наблюдения биений, возникающих при смешении излучения с опорным сигналом.
По-видимому углекислотные атмосферы распространены у планет земного типа, у самой Земли  в начале эволюции была такая. У других звезд вероятно также имееются аналогичные планеты. Как всегда основная проблема в слабости сигнала. По моим оценкам на расстояниях порядка  десятков св.лет интенсивность будет не более нескольких "лазерных" фотонов в секунду. А то и в минуту. Можно ли это обнаружить?

[Critic]

Владей, добрый вечер!
Лазерный эффект на Марсе и Венере - действительно штука сильная. Но с обнаружением планет по эмиссии CO2, хоть и лазерной, будет большая проблема. Диапазон для наземных наблюдений не очень, хоть там и "окно" около 10 мкм. Потом, очень мал угловой размер источника. Всё-таки Венера и Марс близко, у них даже можно распределение лазерной эмиссии по диску исслдеовать: на дневной стороне есть, на ночной нет. И с расстояния в световые годы от точечного объекта несколько квантов в секунду или минуту, конечно, маловато. Ещё звезда рядом сильно "фонит", нужно от неё отстраиваться. Гораздо лучше искать в широкой полосе частот, в непрерывном спектре, а не отдельные лазерные кванты в узкой линии. Уже как минимум один удачный пример в оптическом диапазоне есть:
http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/ap050510.html
планета (или, скорее, коричневый карлик) у белого карлика 2M2107a. Снимок получен на на 8-метровом телескопе (VLT, Чили). Расстояние от звезды 55 а.е., масса = 25 масс Юпитера (1/42 массы Солнца).
В этом плане перспективны будущие космические миссии Darwin, Kepler, Terrestrial Planet Finder.

[nusakan]

Ктознает где можно найти книги по радиоастрономии???

[Borislаv]

https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,8397.msg477493.html#msg477493 (Ответ #902)

[Vitalii Tkachov]

Тема старая, но форум популярен. Адрес института давно уже http://rian.kharkov.ua
А сайт УТР-2: http://rian.kharkov.ua/index.php/ru/decameter-structure/utr-2

Радиолюбители, развлечения ради, принимают радиоизлучение Юпитера на довольно простенькую аппаратура (далеко не рекордную которую они строят), прием происходит в КВ диапазоне...Но отсюда и проблема. Сейчас судорожно ищу информацию по характеру радиоизлучения (функцию распределения по частоте) для Юпитера, и если все же максимум приходится на КВ и метровые волны то фраза "...и может быть зафиксирована любым радиотелескопом..." явно не сюда, ибо такой телескоп единственный в мире:
http://www.astronomer.ru/news.php?action=1&nid=5 (тут его фото есть), сайт у него хилый:
http://ira.ira.kharkov.ua/utr2/
УТР-2 (порог обнаружения 12 Ян на частоте 20 МГц) - что очень не густо в сравнении со своими СВЧ собратьями...
Причем сейчас он переживает не лучшие времена, страдая от отсутствия финансов на модернизацию материальной базы и нападок мародеров. О других подобных телескопах мне не известно. Правда есть еще станции загоризонтальной радиолокации в Гренландии, у нас на Украине, в Росси и еще в нескольких местах. При некотором желании такая станция могла бы служит второй точкой для радиоинтерферометрии с большой базой, но беда в том, что это стратегические объекты первостепенной важности и "поиграться" с ними вряд ли кто даст.

"...Кроме того, этот способ в данный момент является чуть ли не единственным способным обнаружить небольшую планету типа Земли, но с магнитным полем..." не совсем понял, с полем отличным от земного или как!? Ибо Земля то его имеет.

[Крупин]

     Первые экзопланеты были открыты как раз радиоастрономическим методом:

https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,9442.0/all.html