CC BY
27
Серия «Науки о Земле» 2013. Т. 6, № 2. С. 104-113 Онлайн-доступ к журналу: http://isu.ru/izvestia
Иркутского государственного университета
И З В Е С Т И Я
УДК 52-13
Дополнительные фотометрические наблюдения кандидатов в транзитные экзопланеты MASTER-1b и MASTER-2b
К. И. Иванов ([email protected])
А. Ю. Бурданов ([email protected])
A. А. Попов ([email protected])
B. В. Крушинский ([email protected])
Аннотация. В работе представлены результаты дополнительных наблюдений двух кандидатов в транзитные экзопланеты, открытых в созвездии Лебедя в ходе пилотного фотометрического обзора неба, выполненного в Коуровской астрономической обсерватории Уральского федерального университета (УрФУ) в 2012 г. Дополнительные наблюдения, проведённые с помощью телескопов «МАСТЕР-II Урал» и «МАСТЕР-II Тунка», позволили более точно оценить характеристики систем, однако для выяснения истинной природы объектов необходимы дальнейшие фотометрические и спектроскопические исследования.
Ключевые слова: экзопланета, метод транзитов, фотометрия, MASTER-1b, MASTER-2b.
Введение
Исследование внесолнечных планет (экзопланет) - молодая, перспективная и быстро развивающаяся область современной астрономии. В ходе реализации космических миссий CoRoT [2] и KEPLER [5] было установлено, что наличие планетных систем у других звёзд - отнюдь не исключение, а закономерность, присущая, по-видимому, большинству существующих ныне звёзд. Изучение физических характеристик сотен экзопла-нетных систем, известных в настоящее время, выявило интересную особенность: вопреки ожиданиям, ни одна из этих систем не оказалась похожа на Солнечную. Более того: огромный разброс значений основных величин, характеризующих различные планетные системы, поставил под сомнение все существующие теории образования и эволюции как Солнечной системы в целом, так и отдельных планет, входящих в её состав. В связи с этим возникла острая необходимость выявления общих закономерностей, присущих как можно большему числу экзопланетных систем, что, в свою очередь, требует открытия новых объектов данного типа.
1 Работа выполнена при финансовой поддержке молодых ученых УрФУ в рамках реализации программы развития УрФУ.
Особое место в этом ряду занимает возможность обнаружения планет, сравнимых по размеру и массе (и, возможно, иным характеристикам) с Землёй, дальнейшее изучение которых позволит внести ряд существенных поправок в теорию её эволюции, внутреннего строения и сопутствующих процессов. Результатом успешного развития данного направления может стать открытие большого числа экзопланет, схожих с Землёй по многим параметрам. Это впервые позволит рассматривать Землю не как уникальный объект, а как один среди прочих, что, в свою очередь, даст возможность обобщить полученные знания и применить их к Земле как частному случаю. В перспективе данный подход способен предоставить ценную информацию, необходимую для решения спорных вопросов, таких, например, как состав и структура внутреннего ядра, происхождение воды и влияние активности Солнца на эволюцию и состав атмосферы.
Экзопланетная астрономия уже располагает методами, необходимыми для решения упомянутых вопросов, однако ввиду крайне незначительного изменения блеска звезды в стадии транзита исследование данного явления представляет собой непростую задачу, подчас требующую мощных телескопов и специального оборудования. Несмотря на это, авторами был создан алгоритм получения и обработки данных, позволяющий успешно проводить высокоточные фотометрические наблюдения транзитов экзо-планет с помощью автоматизированных телескопов малого диаметра «МАСТЕР-II», результатом практического применения которого стало открытие двух кандидатов в экзопланетные системы [1].
1. Метод транзитов
Метод транзитов [10] является наиболее простым, относительно легко реализуемым, но в то же время достаточно мощным методом обнаружения и исследования экзопланет. Данный метод основан на явлении прохождения экзопланеты по диску родительской звезды, что сопровождается незначительным (около 1-3 %) ослаблением блеска последней. Точные фотометрические наблюдения позволяют построить кривую блеска (рис. 1), найти период обращения планеты вокруг звезды, определить отношения их радиусов, а также угол наклона орбитальной плоскости по отношению к наблюдателю. Основными наблюдательными величинами являются глубина транзита ДБ, промежуток времени ^ между первым и четвертым контактами, а также промежуток времени между вторым и третьим контактами.
Транзитный метод достаточно информативен. Он позволяет определить период обращения планеты вокруг звезды, её массу [9], оценить радиус по величине ослабления блеска, т. е. по доле площади звёздного диска, покрываемой планетой, если радиус самой звезды уже известен [11].
Основная причина вариаций блеска родительской звезды - экранирование потока излучения планетным диском - вовсе не является единственной. На фоне общего снижения потока излучения от звезды во время транзита могут наблюдаться флуктуации яркости на временных масштабах от нескольких минут до десятков минут, так называемые транзитные эффекты, природа которых на сегодняшний день выясняется. Кроме того, по-
тенциально метод позволяет обнаруживать и исследовать спутники экзо-планет, звёздные пятна, а также экзотические образования, присущие как планетам (кольца), так и родительским звёздам (протопланетные диски, астероидные пояса).
2. Проект «МАСТЕР»
Астрономический комплекс «МАСТЕР» - один из самых эффективных в своём классе и активно развивающихся проектов на территории России. Созданный учёными ГАИТТТ МГУ в 2002 г. с целью изучения космических гамма-всплесков, сегодня проект представляет собой мощную сеть наблюдательных инструментов и систем анализа и обработки данных.
Телескоп «МАСТЕР-II» [8], составляющий основу проекта, представляет собой систему из двух одинаковых катадиоптрических телескопов системы Гамильтона с диаметром объектива 400 мм и фокусным расстоянием объектива 1000 мм. Каждая труба снабжена устройством автофокусировки, набором светофильтров, соответствующих фотометрической системе Джонсона - Козинса, а также ПЗС2-приёмником ApogeeAltaU16 с прямой засветкой и антиблумингом, имеющим размер 4096^4096 пикселей. Конструкция телескопа укреплена на экваториальной монтировке КТМ-500 фирмы Astelco и позволяет получать снимки звёздного поля площадью 2°х2° с масштабом 1,85"/пикс. Техническое оснащение телескопа даёт возможность осуществлять поиск новых и более детальное иссле-
2 Прибор с зарядовой связью - общее обозначение класса полупроводниковых приборов, построенных на основе технологии управляемого переноса заряда в объёме полупроводника.
flux bR.=acosi/
дование уже известных переменных объектов, в том числе экзопланетных систем методом транзитов.
3. Пилотный фотометрический обзор 2012 года
Основная часть наблюдений была выполнена в период с мая по август 2012 г. с помощью телескопа «МАСТЕР-II Урал», входящего в состав проекта «МАСТЕР». Также небольшой наблюдательный сет был проведен в декабре 2012 г. В общей сложности в течение пятидесяти ночей получено около 3600 кадров богатого звёздами участка небесной сферы в созвездии Лебедя, с центром в точке RA = 20h 30m 00s, Dec = +50° 30' 00" (J2000) и площадью 2°*2°. В ходе летних наблюдений была задействована лишь одна оптическая труба, наблюдения проводились в фильтре R с экспозицией 50 с; зимняя серия выполнена с использованием обеих труб в фильтрах V и R.
Фотометрическая калибровка осуществлялась с помощью кадров темнового тока и плоского поля, полученных накануне и сразу после наблюдений соответственно для достижения максимальной фотометрической точности. Все наблюдения выполнены в автоматическом режиме.
Предварительная обработка данных включала в себя учёт темновых кадров и кадров плоского поля, после чего выполнялась астрометрическая калибровка с помощью программы Astrometry. net [7]. Дальнейшая фотометрическая обработка кадров выполнялась с применением программного пакета IRAF [13]; с целью увеличения точности фотометрии оценка среднего значения уровня фона неба и FWHM проводилась для каждого кадра индивидуально, полученные значения использовались для проведения высокоточной апертурной фотометрии. Фотометрическая постобработка, позволяющая существенно повысить точность, выполнялась с помощью собственного ПО Astrokit, разработанного на базе алгоритма, описанного в [3]. Данный алгоритм подразумевает наличие отдельного ансамбля звёзд сравнения для каждой звезды в кадре, что позволяет учитывать и эффективно устранять погрешности измерений, связанные вариациями прозрачности атмосферы в пределах кадра, увеличивая тем самым фотометрическую точность вплоть до 0m 001. Программа позволяет обрабатывать большое количество звёзд в полностью автоматическом режиме.
В ходе обработки были получены фотометрические данные для 21 500 звёзд от 10m до 16m с точностью от 0m 006 до 0m. 06 соответственно, из которых около 5000, имеющих ошибки менее 0m 02, отобраны для поиска кандидатов в экзопланетные системы (падение блеска в ходе транзита «горячего юпитера» составляет в среднем 0m 01). Дальнейшая обработка представляла собой поиск периодических падений блеска методом BLS3[6], реализованным в программном пакете VARTOOLS [4]. В результате были обнаружены два объекта, проявляющие характер переменности, присущий транзитным экзопланетным системам. В соответствии с общепринятой номенклатурой, объектам предварительно были присвоены наименования MASTER-1b и MASTER-2b.
3Box-fittingLeastSquares.
4. Кандидаты в экзопланеты
Родительская звезда кандидата MASTER-1b имеет координаты RA = 20h 26m 02s. 13, Dec = 50° 06' 03. 2" (J2000) и блеск J = 11m. 40, H = 11m. 05 и Ks= 10m. 88 согласно каталогу 2MASS [12]. Приблизительный спектральный класс объекта оценен как G0-M8. Основные расчётные характеристики системы следующие: орбитальный период затмевающего тела P = 0d.
846822, момент середины первого минимума T0 = 2456062. 81719, отноше-
*
ние радиусов затмевающего тела и центральной звезды Rp/R = 0. 12, отношение длины большой полуоси орбиты затмевающего тела к радиусу звезды а/R = 3. 1, угол наклона плоскости орбиты затмевающего тела к лучу зрения i = 75°. Фазовая кривая MASTER-1b представлена на рис. 2.
12.4 . i I i i i I i i i i i i 1 i i i 1 i.
12.41 r ■
12.42 СП Ф Е 12.43 of 12.44 ■ ' ■ Л I ftAV ' t» ,'Vw. I. * J -Ч^/Г." * i
12.45 ■ Ч . ш "II1 •
12.46 -1 I i t i I i i i 1 1 1 1 1 1 1 1 1 -
0.4 0.6 0.8 1 0.46 0.48 0.5 0.52 0.54
Phase Phase
Рис. 2. Фазовые кривые MASTER-1b
Фазовая кривая объекта MASTER-2b представлена на рис. 3. Кандидат расположен в точке RA = 20h 34m 16s.25, Dec = 50° 15' 42.7" имеет звёздные величины J = 12m60, H = 12m 21 и Ks = 12m10. Спектральный класс объекта оценивается как G8-K5, основные параметры системы следующие: P = 0d.983316, T0 = 2456062.96155, Rp/R* = 0.12, аЖ*= 4.9, i = 87°.
0.4 0.6 Phase
iii i i i 11 i i i ■ i i i i i_i 0.46 0.48 0.5 0.52 0.54 Phase
Рис. 3. Фазовые кривые MASTER-2b
5. Дополнительные наблюдения МЛ8ТЕИ-1Ь и МЛ8ТЕИ-2Ь
В целях более подробного изучения обнаруженных объектов был проведён ряд дополнительных наблюдений. На рис. 4 приведены кривые блеска МАБТЕЯЛЬ в стадии транзита, полученные 12. 07. 2013 с помощью телескопа «МАСТЕР-11 Тунка», расположенного в Тункинской долине (Республика Бурятия) вблизи пос. Торы.
486.18 486.2 486.22 486.24 486.18 486.2 486.22 486.24
JD-2456000 JD-2456000
Рис. 4. Кривые блеска MASTER-1b по данным наблюдений от 12.07.2013
Наблюдения выполнялись в безлунную ночь в условиях лёгкого тумана. На рисунке в обоих фильтрах отчётливо виден «провал» глубиной 0m.02, соответствующий середине транзита затмевающего тела по диску центральной звезды. Ошибка измерений в смысле стандартного отклонения изучаемого объекта вне фазы транзита не превышала 0m. 007. Значения звёздных величин указаны в инструментальной системе.
В фильтре V просматривается «горб» в центре транзита, возможно, представляющий собой тонкий эффект, вероятно, вызванный флуктуация-ми состояния земной атмосферы, однако возможность его возникновения вследствие физических процессов, протекающих в пределах экзопланетной системы, также не исключается. На момент наблюдений начало транзита смещено на 20 мин относительно предсказанного времени, в связи с чем произведён перерасчёт периода обращения затмевающего тела. С учётом полученных данных начальный период MASTER-1b, равный 0d.846822, был пересчитан и составил 0d.846764. Данное значение подтверждено последующими наблюдениями и в настоящий момент считается наиболее точным; дальнейшая корректировка значения периода возможна в будущем в случае получения более точных данных.
Рисунок 5 демонстрирует кривые блеска, построенные на основе результатов наблюдений транзита MASTER-1b от 19.08.2013. Наблюдения выполнены с помощью телескопа «МАСТЕР-II Урал», расположенного на территории Коуровской астрономической обсерватории Уральского федерального университета.
Обе кривые демонстрируют падение блеска порядка 0m02, что подтверждает факт наличия транзита. Множественные «выбросы», наблюдаемые на обеих кривых, предположительно связаны с неустойчивостью атмосферы и потому не имеют отношения к физическим процессам, проте-
кающим внутри экзопланетной системы. Данное обстоятельство, однако, отнюдь не означает отсутствия последних: их вклад в общую картину транзита может быть меньше ошибки измерений.
524.3 524.4 524.5
М - 2456000
524.3 524.4
^ - 2456000
Рис. 5. Кривые блеска МА8ТЕЯ-1Ь по данным наблюдений от 19.08.2013
На рис. 6 приведены кривые блеска, полученные по данным наблюдений транзита МА8ТЕЯ-1Ьот 22.08.2013 с помощью телескопа «МАСТЕР-11 Урал». На фоне общего падения блеска, кривая в фильтре Я содержит «ступеньку» - возможно, тонкий эффект, вызванный наличием пятен в фотосфере центральной звезды или особенностями затмевающего тела (влияние земной атмосферы не исключается). Кривая в фильтре V демонстрирует незначительный минимум, следующий сразу за основным, предположительно являющийся следствием инструментальной ошибки или влияния флуктуаций атмосферы.
496.35
^- 2456000
996.35
■Ю - 2456000
Рис. 6. Кривые блеска МА8ТЕЯ-1Ь по данным наблюдений от 22.08.2013
Ввиду неудовлетворительных погодных условий на сегодняшний день удалось провести лишь одно неполное наблюдение транзита МА8ТЕЯ-2Ь. Тем не менее полученные данные также позволили уточнить период: начальное значение 0а983316 исправлено и в данный момент составляет 0а983430. Кривая блеска транзита, полученная 04.08.2013 с помощью телескопа «МАСТЕР-11 Урал», представлена на рис. 7.
13.96
13.98
10
£ 14 ОС
14.02
14.04
509.3 509.35 509.4 509.45
JD - 2456000
Рис. 7. Кривые блеска MASTER-2b по данным наблюдений от 04.08.2013
Выводы
В результате пилотного фотометрического обзора неба, проведённого в 2012 г. с помощью телескопа «МАСТЕР-II Урал», обнаружены два объекта, демонстрирующие поведение, свойственное транзитным экзопла-нетным системам с крупным горячим юпитером на низкой орбите. Несмотря на то что найденные объекты активно изучаются, в настоящий момент невозможно что-либо точно сказать о природе затмевающих тел. Природа родительских звёзд также выясняется, проведены спектроскопические наблюдения обоих кандидатов с целью уточнения их спектральных классов и характера движения, результаты которых будут освещены в последующих публикациях. С целью получения более чёткой картины транзитов в будущем также планируется ряд прецизионных фотометрических наблюдений с использованием крупных телескопов.
Тем не менее первый опыт поиска кандидатов в экзопланетные системы с помощью телескопов малого диаметра «МАСТЕР-II» можно считать удачным.
Список литературы
1. Two Transiting Exoplanet Candidates in Cygnus from the MASTER Project / A. Burdanov [et al.] // Variable Stars. - 2013. - N 2.
2. CoRoT mission [Electronik resource]. - URL: http://www.esa.int/esaMI/ COROT/index. html
3. Everett M. A. Technique for Ultrahigh-Precision CCD Photometry / M. Everett, S. Howell // Publications of the Astronomical Society of the Pacific. -2001. - Vol. 113, iss. 789. - P. 1428-1435.
4. Deep MMT Transit Survey of the Open Cluster M37. II. Variable Stars / J. Hartman [et al.] // The Astrophysical Journal. - 2008. - Vol. 675, iss. 2. - P. 12541277.
5. KEPLER mission [Electronik resource]. - URL: http://kepler. nasa. gov/
6. Kovacs G. A box-fitting algorithm in the search for periodic transits / G. Kovacs, S. Zucker, T. Mazeh // Astronomy and Astrophysics. - 2002. - Vol. 391. -P. 369-377.
7. Astrometry.net: Blind Astrometric Calibration of Arbitrary Astronomical Images/ D. Lang [et al.] // The Astronomical Journal. - 2010. - Vol. 139, iss. 5. - P. 17821800
8. MASTER Robotic Net / V. Lipunov [et al.] // Advances in Astronomy. -2010. - Vol. 2010. - article id. 349171.
9. Estimating transiting exoplanet masses from precise optical photometry / D. Mislis [et al.] // arXiv:1112. 2008v1. - 2011.
10. Perryman M. The Exoplanet Handbook / M. Perryman. - N. Y. : Cambridge University Press, 2011. - 410 p.
11. Extrasolar Planet Transits Observed at Kitt Peak National Observatory / P. Sada [et al.] // arXiv:1202. 2799v1. - 2012.
12. Skrutskie M. The Two Micron All Sky Survey (2MASS) / M. Skrutskie [et al.] // The Astronomical Journal. - 2006. - Vol. 131, iss. 2. - P. 1163-1183.
13. Tody D. IRAF in the Nineties // Astronomical Data Analysis Software and Systems II, A. S. P. Conference Series. - 1993. - Vol. 52. - P. 173.
Photometric follow-up observations of MASTER-1bandMASTER-2b transiting exoplanet candidates
K. I. Ivanov, A. Y. Burdanov, A. A. Popov, V. V. Krushinsky
Annotation. Exoplanetaryastronomy is a fast growing area of modern astronomy which objects of research are extrasolar planets and systems they form. Among the problems solved within this area, searching of new exoplanetary systems will shed light on processes of the birth and evolution of planets of our Solar system including the Earth. In this article we present results of first follow-up observationsof transitingexoplanet candi-datesdiscovered using «MASTER-II» telescope. Follow-up observations allowed us to estimate periods more precisely, however further photometric and spectroscopic researches are necessary for clarification of true objects nature.
Key words: exoplanet, transit method, photometry, MASTER-lb, MASTER-2b.
Иванов Кирилл Ильич
Иркутский государственный университет 664003, г. Иркутск, ул. К. Маркса, 1 научный сотрудник тел.: 8 (3952) 27-12-94
Ivanov Kirill Ilyich Irkutsk State University 1, K. Marx st., Irkutsk, 664003 researcher
tel.: 8 (3952) 27-12-94
Бурданов Артем Юрьевич аспирант
Уральский федеральный университет 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19 тел.: 8 (343) 261-74-45
Burdanov Artem Yurevich
Postgraduate Student
Ural State University
19, Mira st., Yekaterinburg, 620002
tel.: 8 (343) 261-74-45
Попов Александр Андреевич Уральский федеральный университет 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19 ведущий инженер тел.: 8 (343) 261-74-45
Popov Alexander Andreevich
Ural State University
19, Mira st., Yekaterinburg, 620002
engineer
tel.: 8 (343) 261-74-45
Крушинский Вадим Владимирович Krushinsky Vadim Vladimirovich
Уральский федеральный университет Ural State University
620002, Екатеринбург, улица Мира, 19 19, Mira st., Yekaterinburg, 620002
заведующий отделом principal engineer
астрономического приборостроения тел.: 8 tel.: 8 (343) 261-74-45 (343) 261-74-45
