Bezpośrednie wykrycie skalistego globu o masie Ziemi w ekosferze gwiazdy typu słonecznego to wciąż nieosiągalny Graal planetologii pozasłonecznej. Ograniczenia fotometrii tranzytowej i spektroskopii prędkości radialnych sprawiają, że analogi Ziemi wciąż wymykają się dostępnym detektorom. Propozycja nowej misji NASA z programu Small Explorer – SHERA – zamierza przełamać ten impas, wykorzystując precyzyjną astrometrię różnicową ciasnych układów podwójnych oraz aperturę dyfrakcyjną rodem z fabryk półprzewodników.

W naszym otoczeniu gwiezdnym około połowa gwiazd podobnych do Słońca nie występuje samotnie, lecz tworzy grawitacyjnie powiązane układy wielokrotne. Dla standardowych metod poszukiwania egzoplanet obecność drugiego składnika to zazwyczaj źródło szumu i destabilizacji orbit. Dla projektu SHERA (Searching for Habitable Exoplanets with Relative Astrometry) jest to jednak kluczowy atut.

Dotychczasowe techniki obserwacyjne charakteryzują się ściśle określonymi ograniczeniami:

  • Fotometria tranzytowa (Kepler, TESS): wymaga rzadko występującej, idealnej geometrii ustawienia płaszczyzny orbity wzdłuż linii widzenia (edge-on), faworyzując planety na ciasnych orbitach o krótkich okresach orbitalnych.
  • Prędkości radialne (RV): ziemski analog na orbicie o promieniu 1 AU wywołuje odruchowy ruch gwiazdy o prędkości zaledwie ∼9 cm/s. Współczesne naziemne spektrografy wysokiej rozdzielczości osiągają barierę szumu na poziomie ∼50 cm/s, zdominowaną przez aktywność magnetyczną fotosfery (plamy, granulacja).
  • Klasyczna astrometria absolutna (Gaia): odchylenie położenia gwiazdy wywołane obecnością bliźniaczki Ziemi z odległości 10 parseków wynosi zaledwie ok. 0,3 μas (mikrosekundy łuku). Dokładność katalogowa Gai rzędu 100 μas jest o niemal trzy rzędy wielkości za niska.

SHERA omija problem szumu tła gwiazdowego poprzez rezygnację z odniesienia do odległych punktów odniesienia. Zamiast tego mały, 22-centymetrowy teleskop kosmiczny ma mierzyć względną odległość kątową między dwoma jasnymi, bliskimi składnikami układu podwójnego. Ponieważ obie gwiazdy poruszają się wspólnie w przestrzeni, wszelkie aberracje instrumentalne oraz wielkoskalowe deformacje optyki kasują się automatycznie w pomiarze różnicowym. Obecność planety ujawnia się jako okresowe zaburzenie tej względnej separacji.

Nie ma jednak nic za darmo. Warunkiem koniecznym jest tuta osiągnięcie niezwykle wysokiej precyzji astrometrycznej. W tym celu na zwierciadle teleskopu zostanie wytrawiony za pomocą litografii wiązką elektronów (e-beam) precyzyjny wzorzec fazowy, tworzący tzw. źrenicę dyfrakcyjną (diffractive pupil). Pełni ona potrójną funkcję:

  1. Generuje wzorzec interferencyjny działający jak optyczna linijka, monitorujący w czasie rzeczywistym mikrodeformacje termiczne zwierciadła.
  2. Rozmywa światło gwiazdy na wiele pikseli matrycy w ściśle kontrolowany sposób, uśredniając nierównomierności czułości detektora (pixel-to-pixel variations).
  3. Pozwala na bieżąco monitorować profile linii widmowych, odróżniając sygnał astrometryczny planety od plam gwiazdowych na wirującej tarczy.

Plan misji zakłada objęcie monitoringiem próbki siedmiu układów podwójnych w promieniu 17 parseków od Słońca (łącznie 14 gwiazd). Modele statystyczne przewidują detekcję około 4 planet w ekosferach obserwowanych gwiazd. Warto jednak pamiętać, że wynik negatywny (poniżej 2 planet) byłby równie cenny astrofizycznie – stanowiłby twardy dowód, że dynamiczne perturbacje w ciasnych układach podwójnych skutecznie tłumią procesy formowania planet skalistych w strefach zdatnych do zamieszkania.

Rola misji SHERA wykracza zatem poza samą detekcję – misja pomyślana jest jako prekursor dla przyszłego flagowca NASA, Habitable Worlds Observatory (HWO). Aż 13 z 14 celów SHERA znajduje się na liście priorytetów pierwszego rzędu (Tier 1) dla HWO. Potwierdzenie obecności planet i wstępne wyznaczenie ich parametrów orbitalnych przez niewielki, niskobudżetowy teleskop skróci czas potrzebny gigantycznemu obserwatorium na bezpośrednią spektroskopię i poszukiwanie biosygnatur nawet o 40%, optymalizując grafik warty miliardy dolarów.

Źródło: arXiv