КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 19-72-10023

НазваниеПоиск и исследование экзопланет и экзопланетных систем, включая циркумбинарные, а также естественных экзоспутников и экзотроянцев на базе комплексных наблюдений любительских и профессиональных обсерваторий, включая новейшее оборудование БТА и САО РАН

РуководительБалуев Роман Владимирович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет", г Санкт-Петербург

Срок выполнения при поддержке РНФ 07.2019 - 06.2022 

КонкурсКонкурс 2019 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-704 - Физика и эволюция звезд и межзвездной среды

Ключевые словаэкзопланеты, фотометрия, планетные прохождения, спектроскопия, эффект Доплера, лучевая скорость, эффект Росситера-Маклафлина, динамика планетных систем

Код ГРНТИ41.19.21


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Цель проекта - мультиметодный поиск и систематическое мультиметодное исследование внесолнечных планетных систем. Впервые такая работа будет опираться на систематическую комбинацию нескольких наблюдательных методов: метода тайминга планетных прохождений (фотометрический), метода лучевых скоростей (высокоточная доплеровская спектроскопия), и космической астрометрии (на основе данных КА GAIA). Наблюдения первых двух видов будут проводиться на телескопах и новом оборудовании Специальной астрофизической обсерватории, а также при помощи международной сети любительских и профессиональных телескопов EXPANSION. Впервые будет отдаваться преимущество синхронным наблюдениям на новом оборудовании САО (два новых 50-см телескопа и новый спектрограф высокого разрешения на БТА, аналогичный HARPS). Синхронность позволит значительно повысить качество научного результата в части контроля систематических ошибок (включая эффекты звездной активности). Особое внимание будет уделяться статистической обработке получаемых данных; учету и исследованию сложной структуры получаемых шумов. Такой подход должен обеспечить доселе недоступное качество и надежность получаемых новых знаний об экзопланетных системах. Как ожидается, данный проект придаст значительный импульс мировым экзопланетным исследованиям, а также даст новую пищу для размышления по проблеме жизни и разума во Вселенной.

Ожидаемые результаты
Для планетных систем из заданного (расширяемого) списка из нескольких десятков объектов будет достигнуто наиболее полное самосогласованное научное описание, учитывающее фотометрические, доплеровские, а в перспективе и астрометрические ряды наблюдений, а также включающее динамические характеристики соответствующих планетных систем. Это включает в себя: - Самосогласованное измерение орбитальных параметров планет, их размеров и масс. - Измерение параметров вращения звезд, их связи с орбитальным движением планет. - Прямое наблюдение эффектов физического взаимодействия в системе "звезда-планета", например приливное приближение планеты к звезде, либо иной дрейф орбитальных характеристик (как у уникальной планеты WASP-12b). Подобные данные помогут охарактеризовать, в том числе, профиль распределения плотности внутри планеты, что является уникальной по ценности информацией. - Систематическое исследование пятенной активности звезд на основе наблюдений затмений пятен планетой, а также исследование способов редукции искажений, вызванных звездными пятнами. - Поиск новых планет методом тайминга прохождений уже известных. - Поиск экзолун, то есть естественных спутников экзопланет (такой пример пока известен лишь один - Kepler-1625). - Наблюдение известных циркумбинарных планетных систем (наблюдаемых указанными методами объектов известно десять). - Поиск экзопланет-троянцев (таких объектов пока не открыто, хотя теоретически они существовать могут). Указанные результаты позволят вывести российский сегмент экзопланетных исследований на всесторонне конкурентный мировой уровень.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Проведена самосогласованная обработка фотометрических наблюдений более 1000 прохождений 17 экзопланет, с учетом ранее не опубликованных доплеровских измерений на спектрографах HARPS/HARPS-N/Keck/SOPHIE/CORALIE. Уточнены численные характеристики планетных систем, у экзопланет WASP-12 и WASP-4 подтверждено наличие наблюдаемого TTV тренда (систематическое сокращение орбитального периода). Такой тренд возможно указывает на медленное падение планеты на звезду вследствие приливного взаимодействия. Для WASP-4 этот тренд был впервые заявлен Bouma et al. (2019) по результатам наблюдений TESS, однако он не подтверждался нашими данными. После получения новых фотометрических наблюдений и включения в обработку дополнительных архивных наблюдений (сотрудничество с S.Hoer, C.Huitson и др.) нами было выяснено, что TTV тренд всё-таки существует, однако имеет в два раза меньшую величину, чем заявлено Bouma et al. (2019). Систематическая ошибка возникла из-за неоднородности таймингов, использованных Bouma et al. (2019), а также из-за влияния звездных пятен. В наблюдательной сети EXPANSION проводились новые наблюдения прохождений экзопланет, в частности WASP-4, WASP-12, HAT-P-12 и др. (более десятка экзопланет). Заподозрены некоторые признаки переменного тайминга прохождений ряда экзопланет. Получен полугодовой массив фотометрических наблюдений TrES-1, у которой мы в лучевых скоростях заподозрили признаки новой планеты. Проведено методическое исследование эффективности нового оптоволоконного спектрографа высокого спектрального разрешения для БТА. Спектрограф предназначен для прецизионных измерений лучевых скоростей звезд с экзопланетами и магнитных полей. Также с конца 2019-го года с новым спектрографом БТА начаты первые опытные наблюдения звезд с экзопланетами. Пока тестируются относительно яркие звезды (7-9 звездных величин). С использованием малых телескопов САО РАН с апертурами 0.5-м и 1-м, также с использованием 0.25-м телескопа Северокавказской станции Казанского федерального университета начаты регулярные наблюдения транзитов экзопланет по программе поиска планетных систем методом TTV. В период с сентября 2019-го по март 2020-го годов проведено около тридцати наблюдений транзитов четырех экзопланет общей длительностью более ста часов полезного наблюдательного времени. К моменту подачи отчета наблюдения продолжаются. С использованием спектрографов САО РАН и Бонхьюнсанской обсерватории (Южная Корея), также спеклинтерферометра САО РАН проводятся исследования шести кеплеровских кандидатов в экзопланеты промежуточных масс. Получены ограничения на их массы, все кандидаты являются экзопланетами. Также по нашему запросу проводились наблюдения экзопланет на спектрографе SOPHIE и в астрофизической обсерватории Окаяма токийского технологического университета. В ходе этой работы обнаружен коричневый карлик GPX-1. С помощью метода осреднения Хори-Депри построены уравнения планетного движения в средних элементах. Построенные уравнения позволяют описывать долговременную (порядка 10^5-10^7 лет) эволюцию планетных систем, структура которых близка к круговой и компланарной. Полученное в символьном виде разложение возмущающего потенциала опубликовано в базе данных Mendeley Data (http://dx.doi.org/10.17632/3cb75grjz4.1). На языке C++ реализован программный комплекс, строящий решение осредненной системы. В рамках теории первого порядка по планетным массам исследована долговременная эволюция планетных систем HD 12661, ипсилон Андромеды, а также модельных систем. Определены периоды и амплитуды долгопериодических колебаний эксцентриситетов, а также выявлены вековые резонансы в движении долгот перицентров. Разработаны и протестированы новые интеграторы планетной задачи N тел: типа Эверхарта для систем ОДУ первого порядка и коллокационный интегратор с узлами из квадратурной формулы Гаусса-Лобатто. Для первого интегратора реализовано вычисление коэффициентов для произвольного порядка метода, реализована произвольная арифметическая точность.

 

Публикации

1. Балуев Р.В., Соков Е.Н., Джонс Х.Р.А., Шайдулин В.Ш., Сокова И.А. и др. Homogeneously derived transit timings for 17 exoplanets and reassessed TTV trends for WASP-12 and WASP-4 Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 490, Issue 1, Pages 1294–1312 (год публикации - 2019).

2. Балуев Р.В., Соков Е.Н., Сокова И.А., Шайдулин В.Ш. и команда EXPANSION WASP-12 B И WASP-4 B: ПЛАНЕТЫ, СВАЛИВАЮЩИЕСЯ НА СВОЮ ЗВЕЗДУ? Физика космоса: труды 49-й Международной студенческой научной конференции, с. 144-145 (год публикации - 2020).

3. Балуев Р.В., Соков Е.Н., Хойер С., Хайтсон С., да Силва Х.А.Р.С., Эванс Ф., Сокова И.А., Найт С.Р., Шайдулин В.Ш. WASP-4 transit timing variation from a comprehensive set of 129 transits Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Letters, - (год публикации - 2020).

4. Валявин Г.Г., Мусаев Ф.А., Перков А.В., Аитов В.Н. и др. Оптоволоконный спектрограф высокого спектрального разрешения для БТА: оценка эффективности Астрофизический бюллетень / Astrophysical Bulletin, - (год публикации - 2020).

5. Микрюков Д.В. ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ПЛАНЕТНОЙ СИСТЕМЫ НА КОСМОГОНИЧЕСКИХ ВРЕМЕНАХ Физика космоса: труды 49-й Международной студенческой научной конференции, с. 180-181 (год публикации - 2020).

6. Микрюков Д.В. ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ПЛАНЕТНОЙ СИСТЕМЫ НА КОСМОГОНИЧЕСКИХ ВРЕМЕНАХ Письма в Астрономический журнал / Astronomy Letters, - (год публикации - 2020).


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В рамках данного проекта РНФ выполнялся широкий спектр наблюдений разного типа: фотометрия экзопланетных прохождений (всемирная сеть телескопов EXPANSION, а также 1-м, 0.5-м телескопы САО РАН, и 0.25-м телескоп Казанской астрономической станции КФУ), доплеровская спектроскопия (новый оптоволоконный спектрограф высокого разрешения САО РАН), спекл-интерферометрия (6м БТА САО РАН). Целью наблюдений было: изучение тайминга прохождений, анализ пятенной активности родительских звёзд с экзопланетами, подтверждение (проверка) кандидатов в экзопланеты, изучение атмосфер экзопланет, определение коэффициента отражения экзопланет (их альбедо), измерение параметров вращения родительских звёзд экзопланет по эффекту Росситера-Маклафлина, их проверка на одиночность, а также поиск новых экзопланет. В рамках интеграции между проектами The Galactic Plane eXoplanet (GPX) survey и EXPANSION нами был открыт коричневый карлик GPX-1 b с массой 19.7 ± 1.6 массы Юпитера и радиусом 1.47 ± 0.10 радиуса Юпитера. Это один из примерно двух десятков таких объектов, известных на сегодняшний день, с массой, близкой к теоретической границе перехода коричневый карлик – газовый гигант. Его родительская звезда быстро вращается, с прогнозируемой скоростью вращения v sin i = 40 ± 10 км/с. Получен явный положительный результат по эффекту Росситера-Маклафлина для Kelt-2Ab, также характерные признаки эффекта наблюдаются для некоторых других объектов (данные для них ещё обрабатываются). При помощи спекл-интерферометрии БТА было подтверждено обнаружение тёмных спутников у нескольких наблюдаемых нами звёздных пар (объект ADS 15571 и др.) У ряда других объектов показано отсутствие у них ярких оптических компонентов что подтверждает родительскую природу звезд с планетными кандидатами: KOI-974.01, KOI-2706.01, KOI-2687.01 и KOI-2687.02. Представлена новая методика поиска событий покрытия звёздных пятен в ходе экзопланетного прохождения. Представляет собой полноценный практический алгоритм, основанный на специально разработанном нами статистическом методе анализа. При этом проводится отделение пятенных событий от автокоррелированного фотометрического шума и различных систематических трендов. Среди обработанных нами ~1600 прохождений экзопланет обнаружено более сотни таких событий-кандидатов, из которых примерно 2/3 соответствуют покрытиям пятен, и 1/3 - покрытиям факелов звёздной атмосферы. Таким образом, соотношение частот тех и других событий по нашей выборке оказывается примерно 2:1 в пользу пятен. Также обнаружена статистически значимая корреляция между длительностью события и его амплитудой, что указывает на физическую связь с размером пятна. На базе сайта Астрономического Института СПбГУ создана первая версия публичного онлайн-каталога исследуемых нами планетных систем: http://www.astro.spbu.ru/?q=exoplanets Завершена разработка программы, реализующей прямое численное интегрирование задачи N тел методом Эверхарта с произвольной точностью арифметики. После успешного тестирования интегратор был переписан на языке C и получил название REX. С его помощью рассматривалась долговременная динамическая эволюция модельных и реальных планетных систем, включая HD 12661 и upsilon Andromedae.

 

Публикации

1. Бурлакова Т. Е., Валявин Г. Г., Аитов В. Н., Галазутдинов Г. А., Валеев А. Ф., Якунин И. А., Гадельшин Д. Р., Бычков В. Д., Тавров А. В., Иванова А. Е., Кораблев О. И. Observations of Radial Velocity Variability in Stars from the Spectra Obtained with the BTA Fiber-Fed Spectrograph in High Spectral Resolution Mode Astrophysical Bulletin, Vol. 75, Issue 4, pp. 482–485 (год публикации - 2020).

2. Гадельшин Д. Р., Валявин Г. Г., Ли В.-Ч., Чжон Г., Инву Х., Галазутдинов Г. А., Аитов В. Н., Якунин И. А., Бурлакова Т. Е., Валеев А. Ф. Mass Constraint of Several Transiting Planets Astrophysical Bulletin, Vol. 75, Issue 4, pp. 437–439 (год публикации - 2020).

3. Р.В. Балуев, Е.Н. Соков, И.А. Сокова, В.Ш. Шайдулин, А.В. Веселова, В.Н. Аитов, Г.Ш. Митиани, А.Ф. Валеев, Д.Р. Гадельшин, А.Г. Гутаев, Г.М. Бескин, Г.Г. Валявин, К. Антонюк и др. Massive search of spot- and facula-crossing events in 1598 exoplanetary transit lightcurves Acta Astronomica, - (год публикации - 2021).


Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В наблюдательной сети EXPANSION получено ~40 новых наблюдений прохождений экзопланет. Целью наблюдений было: изучение тайминга прохождений, анализ пятенной активности родительских звёзд с экзопланетами, подтверждение (проверка) кандидатов в экзопланеты, обнаруженных миссиями Galactic Plane eXoplanet (GPX) survey, Kepler и TESS, изучение атмосфер экзопланет, определение коэффициента отражения экзопланет (их альбедо) и поиск новых экзопланет. К настоящему времени проект пополнился участниками (обсерваториями) в Исландии, Франции, Германии, Чили и ЮАР; начало развиваться сотрудничество с командой TRAPPIST (телескопы в Чили и Марокко). Продолжались фотометрические наблюдения с использованием малых телескопов САО РАН с апертурами 0.5-м и 1-м прохождений экзопланет, потенциально демонстрирующих признаки TTV-эффекта. Разработанные в проекте методики и алгоритмы применялась в новом российско-корейском проекте по поиску транзиентных событий и экзопланет EXPLANATION (EXoPLANet And Transient Events Investigation). Проект направлен на массовый фотометрический, спекл-интерферометрический, спектральный, и радиоболометрический поиск нестационарных событий во Вселенной, в том числе изучение экзопланет. Ядро проекта включает несколько оптических телескопов, 6-метровый телескоп БТА и радиотелескоп РАТАН-600 САО РАН, Московскую гос. Университетскую обсерваторию, Коуровскую обсерваторию, Крымскую астрофизическую обсерваторию, Корейский институт астрономии и космических наук. В рамках нашего участия в этом проекте на малых телескопах (0.5-м класса) САО РАН в период с августа 2020 г по январь 2021 г был получен массив данных для выбранной площадки размером 2.45 х 1.56 градусов на небе. Для примерно 40000 звезд были измерены звездные величины с 24390 исходных изображений. Анализ кривых блеска звезд выявил 5 кандидатов в экзопланеты, которые показывают повторяющиеся потемнения с различными периодами (25.2, 26.1, 46.0, 63.4, 198.3 часа). Одним из главных наших объектов этого года стала экзопланета Kelt-2A b. Со времени открытия Beatty et al. (2012) она почти никем не наблюдалась, но теперь вошла в нашу выборку для измерения эффекта Росситера-Маклафлина на новом спектрографе БТА. Данные показали очевидные признаки переменности, характерной по форме для РМ-эффекта. Построена рабочая модель всех наблюдений, в которой скорость вращения звезды равна v sin i = 20 ± 8 км/с, что согласуется с оценкой v sin i по уширению спектральных линий. Наилучшая модель соответствует примерно совпадающим плоскостям орбиты планеты и экватора звезды (параметр λ около нуля), хотя этот угол имеет пока большую погрешность в десятки градусов. Спекл-интерферометрические наблюдения двойной ADS 15571 подтвердили ранее предсказанное в Пулковской Обсерватории существование тёмного спутника звёздной массы. Построено орбитальное решение. Вычисленный период составил P = 23.5 ± 0.5 года, что согласуется с предсказаниями в Grosheva (2007). Разработана универсальная статистическая модель фотосферного поля яркости (ФПЯ) звезды, основанная на приближении неоднородности ФПЯ с помощью случайного поля с произвольной корреляционной функцией. Получена корреляционная функция фотометрического искажения, которое такое ФПЯ вызывает на кривой экзопланетного прохождения. Эту модель можно использовать при моделировании эффекта фотосферной активности звезды на получаемые параметры экзопланет (в частности, на тайминги прохождений). Из архива 10.4-м телескопа GTC были взяты спектральные данные, полученные в момент прохождения экзопланеты WASP-107b. На их основе показана зависимость радиуса экзопланеты от длины волны, что указывает на наличие у планеты газовой оболочки. Для верификации результата на нескольких малых телескопах были получены кривые прохождений в широкополосных фильтрах, моделирование четырех кривых (BVRI) подтверждает факт наличия наклона на трансмиссионном спектре. Завершена разработка и тестирование программного комплекса ALOE (Averaged LOng-term Evolution), строящего решение осредненных уравнений планетной задачи N тел в произвольном приближении по малому параметру системы, а также интегратора REX, реализующего численное интегрирование задачи N тел методом Эверхарта с произвольной точностью арифметики.

 

Публикации

1. Балуев Р.В. The impact of photospheric brightness field on exoplanetary transit timings and the TTV excess of HD 189733 b Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, V. 509 (1), P.1048-1061 (год публикации - 2022).

2. Микрюков Д.В. К в опросу об определении астроцентрических координат в планетной задаче Письма в Астрономический Журнал / Astronomy Letters, №11, том 47, с. 812-820 (год публикации - 2021).

3. Микрюков Д.В., Баляев И.А. Применение метода Хори-Депри к исследованию космогонической эволюции слабовозмущенных планетных систем Письма в Астрономический Журнал / Astronomy Letters, №3, том 48, с. 212-226 (год публикации - 2022).

4. П. Бенни, А.Ю. Бурданов, В.В. Крушинский, А. Бонфанти, Дж. Хебрар, Дж.М. Алменара, С. Далал, О.Д.С. Демангеон и др. Discovery of a young low-mass brown dwarf transiting a fast-rotating F-type star by the Galactic Plane eXoplanet (GPX) survey Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, V. 505 (4), P. 4956-4967 (год публикации - 2021).

5. Яковлев ОЯ, Валеев АФ, Валявин ГГ, Тавров АВ, Аитов ВН, Митиани ГС, Кораблев ОИ, Галазутдинов ГА, Бескин ГМ, Емельянов ЕВ, Фатхуллин ТА, Власюк ВВ, Сасюк ВВ, Перков АВ, Бондар С, Бурлакова ТЕ, Фабрика СН, Романюк ИИ Exoplanet Two-Square Degree Survey With SAO RAS Robotic Facilities Frontiers in Astronomy and Space Sciences, Vol. 9, Id. 903429 (год публикации - 2022).


Возможность практического использования результатов
не указано