تاريخ الاستلام؛ تاريخ القبول
بعثة وكالة الفضاء الأوروبية "PLAnetary Transits and Oscillations of stars" (PLATO) ستبحث عن كواكب أرضية في المنطقة الصالحة للحياة حول نجوم شبيهة بالشمس. وبسبب القيود المفروضة على نقل البيانات، يجب اختيار أهداف PLATO مسبقًا. في هذا البحث، نقدم فهرسًا شاملاً للسماء سيكون أساسيًا لاختيار أفضل حقول PLATO وأكثر النجوم المستهدفة وعدًا، واستخلاص معلماتها الأساسية، وتحليل أداء الأجهزة، ثم تخطيط وتحسين الرصدات اللاحقة. كما يمثل هذا الفهرس موردًا قيمًا لتعريف عينات نجمية محسّنة للبحث عن الكواكب العابرة. استخدمنا بيانات القياس الفلكي والضوئي من الإصدار الثاني لبيانات Gaia (DR2) وخرائط ثلاثية الأبعاد للوسط البينجمي المحلي لعزل نجوم الأقزام FGK (\(V \leq 13\)) ونجوم M (\(V \leq 16\)) من الأقزام والنجوم تحت العملاقة. نقدم الإصدار العام الأول من فهرس مدخلات PLATO الشامل للسماء (asPIC1.1) والذي يحتوي على 2,675,539 نجمًا، منها 2,378,177 من أقزام FGK وتحت العملاقة و297,362 من أقزام M. المسافة المتوسطة في عينتنا هي 428 فرسخًا فلكيًا لنجوم FGK و146 فرسخًا لنجوم M. استخرجنا مقدار التوهين النجمي وطورنا خوارزمية لتقدير المعلمات الأساسية للنجوم (\(T_{\rm eff}\)، نصف القطر، الكتلة) من القياسات الفلكية والضوئية. نُظهر أن عدم اليقين الكلي (الداخلي + الخارجي) في معلمات النجوم المحددة في هذه الدراسة هو تقريبًا \(\sim 230\) كلفن (\(4\%\)) لدرجات الحرارة الفعالة، \(\sim 0.1\,R_{\odot}\) (\(9\%\)) لأنصاف أقطار النجوم، و\(\sim 0.1\,M_{\odot}\) (\(11\%\)) لكتل النجوم. كما نُصدر قائمة أهداف خاصة تحتوي على جميع مضيفي الكواكب المعروفين بعد مطابقتهم مع فهرسنا.
بعثة PLATO هي ثالث بعثة من الفئة المتوسطة ضمن برنامج الرؤية الكونية لوكالة الفضاء الأوروبية. تهدف هذه البعثة الطموحة إلى اكتشاف وتوصيف الكواكب الأرضية حول نجوم شبيهة بالشمس، بالإضافة إلى دراسة خصائص النجوم المضيفة. يتركز اهتمام PLATO على الكواكب الأرضية ذات الفترات المدارية الطويلة والتي تقع أيضًا في المنطقة الصالحة للحياة حول نجوم شبيهة بالشمس. تم تصميم PLATO لاكتشاف كواكب شبيهة بالأرض في ظروف قد تكون مواتية لنشوء الحياة.
ستحقق PLATO أهدافها من خلال رصد الانخفاضات الصغيرة في سطوع النجوم الناتجة عن عبور الكواكب أمام قرص نجومها الأم. تم تصميم البعثة وتحسينها لمراقبة مجالين طويلَي المدة (LOP)، كل منهما لمدة تصل إلى ثلاث سنوات، مع إمكانية مراقبة مجالات إضافية لفترات أقصر تصل إلى ثلاثة أشهر لكل منها (مرحلة الرصد "خطوة ونظرة" SOP). سيتم تحديد استراتيجية الرصد الدقيقة في مرحلة لاحقة (قبل الإطلاق بسنتين على الأكثر)، للاستفادة من التقدم في هذا المجال في ذلك الوقت.
ستستخدم PLATO مجموعة من 26 كاميرا (تشير كلمة "كاميرا" هنا إلى البصريات التلسكوبية وتجميع مستوى البؤرة، بما في ذلك جميع الأجهزة المساعدة مثل الحجب والإلكترونيات وغيرها) مكونة من عناصر بصرية انكسارية بقطر 20 سم تقريبًا ومجال رؤية واسع جدًا (حوالي 40 درجة في القطر) وفتحة مكافئة بقطر 12 سم.
يغطي مجال رؤية كل كاميرا تقريبًا مصفوفة من الكواشف بمساحة إجمالية تبلغ 1037 درجة مربعة، وتُرتب 24 كاميرا في أربع مجموعات، كل مجموعة تضم ست كاميرات، متراصفة على أربعة مجالات رؤية متداخلة قليلاً. وبالتالي، فإن نسبة الإشارة إلى الضوضاء لكل نجم ستعتمد على موقعه الدقيق ضمن مجال رؤية PLATO الكلي. يبلغ المجال الكلي للنظام حوالي 2100 درجة مربعة . أما الكاميرتان المتبقيتان فهما مخصصتان للرصد السريع للنجوم الساطعة جدًا، وقياسات ألوانها ، والتوجيه الدقيق والملاحة. ويحتوي مستوى بؤرتهما على كواشف نقل الإطار التي تسمح بتغطية تزيد عن 600 درجة. تُحافظ هندسة المناطق المغطاة في السماء على التماثل، في الظروف الاسمية، عند تدوير 90 درجة حول خط البصر للحفاظ على نفس التغطية طوال فترة التوجيه والسماح بالمعايرة المستمرة أثناء الطيران بين الكاميرات المختلفة. يتم حساب الامتثال لمواصفات الأداء باستخدام نماذج لتدهور الأداء على مدى عمر البعثة، ويرجع ذلك أساسًا إلى تدهور معتدل في النفاذية بسبب اختيار زجاج مقاوم للإشعاع للعناصر البصرية الأكثر تعرضًا للأشعة الكونية ، وإلى أسوأ سيناريو حيث قد تتعطل كواشف أو أنظمة كهربائية في اثنتين من الكاميرات بحلول نهاية العمر التشغيلي.
وبسبب القيود على معدل نقل البيانات من القمر الصناعي إلى الأرض، لا يمكن تنزيل صور CCD كاملة بمعدل كافٍ لاكتشاف الكواكب؛ لذا من الضروري اختيار أهداف PLATO مسبقًا. بالنسبة لعينة فرعية من الأهداف، يتم تنزيل "طوابع بريدية" مخصصة (imagettes) إلى الأرض؛ أما بالنسبة للنجوم المختارة الأخرى، فسيتم إجراء تحديد المركز والقياس الضوئي على متن القمر الصناعي ثم تنزيل النتائج إلى الأرض. اتبعت بعثات فضائية سابقة نفس النهج. تم إنتاج فهرس CoRoT Exo-Dat ، وفهرس مدخلات Kepler ، وفهرس مدخلات K2 ، وفهرس مدخلات TESS لاختيار أفضل الأهداف للبحث عن الكواكب الخارجية.
في هذا البحث، نقدم فهرس مدخلات PLATO الشامل للسماء (asPIC)، والذي يهدف أساسًا إلى أن يكون قاعدة البيانات الرئيسية لاختيار أهداف PLATO. إن تحديد خصائص نجوم PLATO المضيفة أمر بالغ الأهمية لتحديد خصائص الكواكب العابرة؛ فعلى سبيل المثال، يرتبط عدم اليقين في أنصاف أقطار الكواكب مباشرة بعدم اليقين في نصف قطر النجم المضيف. كما أن الخصائص الكلاسيكية للنجوم المضيفة ضرورية أيضًا لنمذجة النجوم باستخدام علم الزلازل النجمية. بالإضافة إلى ذلك، تعتمد قابلية الكوكب للحياة على خصائص النجم المضيف، إلى جانب عوامل أخرى. علاوة على ذلك، فإن معرفة قيم معلمات النجوم تتيح دراسة إحصائية لتكرار الكواكب كدالة لنوع النجم، والمعدنية، والبيئة، وغيرها .
يتطلب بناء مثل هذا الفهرس ليس فقط تحديد النجوم ذات النوع الطيفي وفئة اللمعان المطلوبة عبر السماء كلها، بل يتطلب أيضًا أخذ قيود الضوضاء في الاعتبار لتسهيل اكتشاف الكواكب العابرة حول المصادر المختارة. لذا يتم تحديد حدود لنطاق القدر الضوئي لعينة النجوم وفقًا لمتطلبات البعثة، ويجب تقييم درجة التلوث الضوئي لكل هدف من المصادر المجاورة. ستكون مقياس بكسل PLATO هو 15 ثانية قوسية لكل بكسل على المحور، وهو ما يقع بين مقياس Kepler وTESS .
من المتوقع أن تغطي جودة الصورة النقطية (PSF)، رغم تغيرها الطفيف عبر مجال الرؤية واعتمادها على الحالة الحرارية للكاميرات، مساحة بضعة بكسلات . ونتيجة لذلك، من المتوقع أن تندمج عدة مصادر، خاصة في الحقول المزدحمة، في منطقة قياس ضوئي واحدة وقد تتسبب في إشارات إيجابية كاذبة . وبشكل أكثر تحديدًا، سيُستخدم asPIC من أجل:
اختيار أفضل حقول الرصد لـ PLATO؛
اختيار جميع نجوم الأقزام FGKM وتحت العملاقة التي تلبي قيود القدر الضوئي ونسبة الإشارة إلى الضوضاء المحددة في متطلبات عينة نجوم PLATO؛
تقدير المعلمات الأساسية للنجوم لجميع الأهداف، مثل درجات الحرارة، وأنصاف الأقطار، والكتل؛
تحديد النجوم المتغيرة المعروفة، والثنائيات، وأعضاء الأنظمة المتعددة، والنجوم النشطة باستخدام أقنعة البتات، وتلخيص المعلومات المتاحة من الفهارس الحالية، أي بشكل رئيسي إصدارات Gaia وTESS؛
توفير قائمة بجميع الملوثات الضوئية للأهداف حتى مسافة زاوية محددة من الهدف وحتى حد قدر ضوئي معين، لفهم تأثيرها على الأداء الضوئي ولمواجهة تحدي التلوث الخلفي في التحقق من صحة الكواكب المرشحة؛
توجيه تنظيم واستراتيجية الرصد الأرضي اللاحق وتحسينها.
أظهرت المحاولات السابقة لإنتاج هذا الفهرس أن الأمر ليس سهلاً. فمن الصعب بشكل خاص التمييز بدقة بين الأقزام والنجوم المتطورة دون معرفة دقيقة للمعان المطلق للمصادر. استخدمت الحركات الذاتية المخفضة في الماضي لهذا الغرض ، لكن هذه التقنية تم تجاوزها الآن بفضل توفر اختلافات المنظر المثلثية من Gaia DR2 3، لجميع أهداف PLATO تقريبًا، مما يسمح بتحديد دقيق للمسافات وبالتالي للمعان المطلق.
بعد اعتماد وكالة الفضاء الأوروبية للبعثة (يونيو 2017)، دخلت PLATO مؤخرًا مراحل التطوير الصناعي الكاملة C-D (مارس 2020) استعدادًا للإطلاق في 2026. في هذه المرحلة من التطوير، لم يتم بعد تحديد حقول LOP النهائية لـ PLATO (سيتم ذلك قبل الإطلاق بسنتين). يركز العمل الحالي على asPIC. هذا الفهرس متاح علنًا للمجتمع العلمي وسيتم تحديثه كلما حدثت تغييرات ذات صلة، بما في ذلك إصدارات Gaia الجديدة.
بعد وصف موجز لمتطلبات البعثة التي تحدد عينات نجوم PLATO في القسم 2، نصف معايير اختيار الأهداف في القسم 3. ثم، في القسم 4، نصف كيف أخذنا في الاعتبار التوهين والامتصاص في تحليلنا. نقدم خط أنابيب معلمات النجوم في القسم 5. في القسم 6، نقارن نتائجنا مع ما نُشر في مصادر الأدب المختلفة. في القسم 7، نصف قائمة خاصة بالنجوم المضيفة للكواكب المعروفة والمشمولة في إصدار الفهرس. ويقدم القسم 8 ملخصًا موجزًا للعمل الحالي.