Проект «Теоретические и экспериментальные исследования формирования и эволюции внесолнечных планетных систем и характеристик экзопланет», предложенный ИКИ РАН в кооперации с другими научными организациями России, победил в конкурсе на получение гранта в форме субсидий на проведение крупных научных проектов по приоритетным направлениям научно-технологического развития.

Исследования планет в других звёздных системах помимо нашей Солнечной — относительно новая область современной науки, которая появилась совсем недавно и бурно развивается на наших глазах. С момента достоверного открытия первой экзопланеты прошло всего двадцать восемь лет. Сегодня, благодаря специализированным космическим телескопам и наземным наблюдениям обнаружено и подтверждено существование более 4000 планет, и это число увеличивается с каждым днем. Наступает время детального изучения уже найденных экзопланет и их связи с родительскими звездами с помощью всё более сложных научных приборов и всё более реалистичных теоретических моделей.

Начало этой «экзопланетной революции» пришлось, к сожалению, на катастрофические для отечественной науки 1990-е годы, поэтому российские ученые подключились к этим исследованиям относительно поздно. И, тем не менее, во многих российских институтах и обсерваториях работы по экзопланетной тематике ведутся сейчас достаточно активно. И это не только теоретические исследования и численное моделирование, в которых российская наука традиционно сильна, но и в значительной степени экспериментальные работы. Так, например, в Специальной астрофизической обсерватории РАН на Кавказе установлен и уже увидел первый свет высокоточный спектрограф НЭС. После отладки и калибровки этот спектрограф сможет измерять лучевые скорости ярких звезд с точностью 1–2 м/с, что сравнимо с точностью лучших зарубежных спектрографов. Это позволит обнаруживать планеты в широком диапазоне масс и орбитальных периодов, в том числе планеты земного типа в обитаемой зоне звезд красных карликов.

Следует отметить, что отечественные работы по поиску экзопланет носили фрагментарный характер и практически не были скоординированы. Так, например, в России не проводилось обзорных наблюдений, результатом которых стал бы каталог кандидатов в экзопланеты. Подобные обзоры наиболее эффективно проводят специализированные космические обсерватории: Spitzer (NASA), Kepler (ESA), CoRoT (ESA) и TESS (NASA), но и вклад наземных инструментов — при всех ограничениях, накладываемых наблюдениями с Земли — чрезвычайно важен. В рамках Проекта предполагается координация работы российских наблюдательных средств, что должно привести к появлению отечественного обзора, который важен для развития и этой области науки, и российской астрономии в целом. Резонно спросить: а есть ли смысл «догонять ушедший поезд»? Есть ли смысл пытаться конкурировать с космическими телескопами, свободными от помех, накладываемых турбулентной земной атмосферой? Что нового могут сделать наземные отечественные инструменты, ограниченные капризами погоды и суточным ритмом? Как оказалось, смысл есть, как и возможность получить уникальные научные результаты. Так, разрешение ПЗС-матрицы миссии TESS — 21 угловых секунды на пиксель, поэтому этот космический телескоп не может вести фотометрические наблюдения на богатых звездных полях вблизи плоскости Галактики. Наземные наблюдения на телескопах полуметрового и метрового класса (САО РАН, КрАО РАН, ГАИШ, ИНАСАН) позволят достичь высокого пространственного разрешения и находить транзитных кандидатов в полосе Млечного пути, где звездная плотность наиболее высока. Особый интерес представляет поиск планет в рассеянных и шаровых скоплениях: возраст звезд таких скоплений определяется с высокой точностью, что позволяет получить важные сведения об эволюции планетных систем.

Проект «Теоретические и экспериментальные исследования формирования и эволюции внесолнечных планетных систем и характеристик экзопланет» был составлен с учетом существующего в России задела, прежде всего, хорошей теоретической базы. Так, модели атмосфер, оболочек и магнитосфер экзопланет, разработанные российскими учеными в последнее десятилетие, уже используются во всем мире для интерпретации имеющихся наблюдательных данных, и, несомненно, имеют хорошие шансы на дальнейшее развитие. Наличие в России классической космогонической школы позволяет надеяться на появление прорывных результатов и в этой интереснейшей области науки. Особо хочется отметить тот факт, что многолетние успехи российской науки в исследовании планет Солнечной системы и имеющийся задел методик, моделей, идей обуславливают хорошую стартовую позицию и в изучении экзопланет.

Проект предложен Институтом космических исследований Российской академии наук и будет реализован совместно с другими институтами РАН и вузами России. Всего в проекте участвует сотрудники 13 организаций.

Программа исследований по проекту состоит из 13 связанных между собой задач, которые объединены в два блока: наблюдательный и теоретический.

Задачи наблюдательного блока Программы исследований:

1. Поиск новых кандидатов в экзопланеты методами фотометрических транзитов, TTV- и спектроскопическими методами.
2. Исследования околозвездных дисков и диффузного компонента планетных систем методами спектроскопии, фотометрии и фотополяриметрии.
3. Исследование физических характеристик подтвержденных экзопланет методами фотометрии, спектроскопии и спекл-интерферометрии.
4. Разработка методов прямого наблюдения экзопланет. Звездный коронограф, адаптивная оптика, коррекция волнового фронта.
5. Виртуальная обсерватория экзопланет для статистических исследований характеристик экзопланет.
6. Поддержка наблюдательной программы по экзопланетам внеатмосферной обсерватории «Спектр-УФ».

О наземной поддержке проекта «Спектр-УФ» стоит сказать особо. Перспективная космическая обсерватория «Спектр-УФ» готовится к запуску в 2025 г. «Спектр-УФ» — 1.7-метровый телескоп, предназначенный для исследований в ультрафиолетовой части спектра. Его чувствительность соответствует чувствительности самого знаменитого на сегодня космического телескопа им. Хаббла. Эти особенности позволят впервые провести целый ряд уникальных наблюдений экзопланет и их атмосфер. Может быть, наиболее интригующей задачей станет поиск биомаркеров, которые могут свидетельствовать о наличии жизни на экзопланетах, так как именно в ультрафиолетовой области спектра находятся линии излучения и поглощения кислорода и других потенциально важных элементов. Так, наблюдения транзитов экзопланет земного типа в линии атомарного кислорода позволят легко разделить океанические миры, подобные Земле, и сухие аналоги Венеры и Марса (при большом сходстве массы и радиуса Земля и Венера обладают очень разным климатом, что оказывает сильное влияние на температуру, плотность и протяженность кислородной короны в экзосферах обеих планет). Исследования, планируемые в рамках Программы, позволят помочь в формулировке задач для научной программы проекта «Спектр-УФ» и создадут основу для его наземного сопровождения.

Также в ходе проекта планируется создать открытую пополняемую базу данных о свойствах экзопланет, которая станет основой для классификации и статистических исследований. Статистические исследования необходимы для верификации моделей планетообразования и получения оценок количества планет определенных типов в Галактике (например, планет земного типа в обитаемой зоне). Кроме того, вариации распространенности планет во всем пространстве параметров могут указывать на астрофизические явления, играющие важную роль в эволюции планетных систем. Например, анализ распределения экзопланет по радиусам, полученного на основе данных «Кеплера», привел к обнаружению т.н. «зазора Фултона» — примерно двукратного дефицита планет с радиусами 1.6–1.9 радиусов Земли, маркирующего границу между суперземлями (планетами преимущественно железокаменного состава) и мини-нептунами (планетами, окруженными протяженными водородно-гелиевыми атмосферами, чья масса может достигать нескольких процентов от полной массы планеты). Некоторые особенности распределения планет до сих пор не имеют объяснения.

Теоретический блок посвящен моделированию и развитию теории формирования внесолнечных планетных систем и характеристик экзопланет. Подобные модели важны не только сами по себе, но и необходимы для интерпретации наблюдательных данных. Поскольку теоретические исследования экзопланет уже сейчас ведутся практически во всех астрономических институтах России на высоком уровне, то ожидается, что решение задач этого блока даст результаты мирового уровня.

Задачи теоретического блока:

1. Космогония: моделирование процессов формирования и изучение динамических особенностей экзопланетных систем.
2. Протопланетные диски.
3. Звезды с экзопланетами.
4. Аэрономические модели атмосфер экзопланет.
5. Исследование и моделирование газовых, плазменных и пылевых оболочек экзопланет.
6. Развитие моделей генерации магнитных полей, планетных магнитосфер и сопутствующих электромагнитных излучений для экзопланет различных типов.
7. Исследование планет и малых тел в Солнечной системе с точки зрения наук об экзопланетах.

Исследования теоретической части проекта фактически покрывают весь жизненный цикл экзопланет: от их образования из протопланетных дисков, формирования газовых, плазменных и пылевых оболочек, возможной генерации собственных магнитных полей и электромагнитных излучений при взаимодействии этих полей со звездным ветром. Важную роль будет иметь сопоставление обширных данных, имеющихся сейчас о планетах Солнечной системы при изучении их возможных экзопланетных аналогов.

«Я думаю, что при подготовке проекта, нам удалось объединить усилия практически всех российских специалистов, работающих и в вузах и в академических институтах и имеющих определенный опыт исследования экзопланет и/или яркие идеи по их изучению. Надо откровенно признать, что Россия не находится сейчас среди лидеров этого важнейшего направления современной науки, имеющего помимо всего прочего и важнейшее мировоззренческое значение. Перед нами стоит непростая задача — не просто догонять лидеров, — а найти свои оригинальные подходы, предложить новые методы решения теоретических и экспериментальных проблем, что должно дать возможность российским ученым внести свой весомый вклад в «исследования формирования и эволюции внесолнечных планетных систем и характеристик экзопланет», — говорит академик Лев Матвеевич Зелёный, научный руководитель Института космических исследований Российской академии наук и координатор программы.

• Координатор программы: академик РАН Л. М. Зеленый, научный руководитель ИКИ РАН
• Заместитель координатора: член-корреспондент РАН Д. В. Бисикало, директор ИНАСАН
• Заместитель координатора: член-корреспондент РАН О. И. Кораблев, зам.директора ИКИ РАН
• Ученый секретарь Программы: д. т. н. А. В. Тавров

Организации-участники программы:

1. Институт космических исследований Российской академии наук
2. Институт астрономии Российской академии наук
3. Главная (Пулковская) астрономическая обсерватория Российской академии наук
4. Специальная астрофизическая обсерватория Российской академии наук
5. Крымская астрофизическая обсерватория Российской академии наук
6. Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского Российской академии наук
7. Институт прикладной математики им. М. В. Келдыша Российской академии наук
8. Институт лазерной физики Сибирского отделения Российской академии наук
9. Институт прикладной физики Российской академии наук
10. Московского государственный университет им. М. В. Ломоносова
11. Санкт-Петербургский государственный университет
12. Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина
13. Физический институт им. П. Н. Лебедева Российской академии наук