تاريخ الاستلام؛ تاريخ القبول
بعثة وكالة الفضاء الأوروبية "PLAnetary Transits and Oscillations of stars" (PLATO) ستبحث عن كواكب أرضيّة في المنطقة الصالحة للحياة حول نجوم شبيهة بالشمس. وبسبب القيود المفروضة على نقل البيانات، يجب اختيار أهداف PLATO مُسبقًا.
في هذا البحث، نقدّم فهرسًا شاملًا للسماء سيكون أساسيًّا لاختيار أفضل حقول PLATO وأكثر النجوم المستهدفة وُعودًا، واشتقاق معلماتها الأساسية، وتحليل أداء الأجهزة، ثم التخطيط للرصدات اللاحقة وتحسينها. كما يُمثّل هذا الفهرس موردًا قيّمًا لتعريف عينات نجمية محسّنة للبحث عن الكواكب العابرة.
استخدمنا بيانات القياس الفلكي والضوئي من الإصدار الثاني لبيانات Gaia (DR2) وخرائط ثلاثية الأبعاد للوسط بين‑النجمي المحلّي لعزل أقزام FGK (القدر \(V \leq 13\)) والنجوم تحت العملاقة التابعة لها، وكذلك أقزام M (القدر \(V \leq 16\))، عن النجوم العملاقة.
نعرض الإصدار العام الأوّل من فهرس مدخلات PLATO الشامل للسماء (asPIC1.1) الذي يحتوي على 2,675,539 نجمًا، منها 2,378,177 من أقزام FGK والنجوم تحت العملاقة، و297,362 من أقزام M. المسافة الوسيطة في عيّنتنا هي 428 فرسخًا فلكيًّا لنجوم FGK و146 فرسخًا فلكيًّا لنجوم M. قدَّرنا مقدار الإخماد بين‑النجمي وطوَّرنا خوارزمية لتقدير المعلمات الأساسية للنجوم (\(T_{\rm eff}\)، نصف القطر، الكتلة) انطلاقًا من القياسات الفلكية والضوئية.
نُظهر أنّ عدم اليقين الكلّي (الداخلي والخارجي) في معلمات النجوم المحدَّدة في هذه الدراسة هو تقريبًا \(\sim 230\) كلفن (\(4\%\)) لدرجات الحرارة الفعّالة، و\(\sim 0.1\,R_{\odot}\) (\(9\%\)) 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. يتركّز اهتمام PLATO على الكواكب الأرضية ذات الفترات المدارية الطويلة الواقعة في المنطقة الصالحة للسكن حول نجوم شبيهة بالشمس. وقد صُمِّمت PLATO لاكتشاف كواكب شبيهة بالأرض في ظروف قد تكون مواتية لنشوء الحياة.
ستحقّق PLATO أهدافها عبر رصد الانخفاضات الصغيرة في سطوع النجوم الناتجة عن عبور الكواكب أمام قرص نجومها الأم. وقد صُمِّمت البعثة وحُسِّنت لمراقبة مجالين طويلَي المدّة (LOP)، كلٌّ منهما لمدّة تصل إلى ثلاث سنوات، مع إمكانية مراقبة مجالات إضافية لفترات أقصر تصل إلى ثلاثة أشهر لكل منها (مرحلة الرصد "Step‑and‑Stare" أو "خطوة وانظر" SOP). ستُحدَّد استراتيجية الرصد الدقيقة في مرحلة لاحقة (قبل الإطلاق بسنتين على الأكثر)، للاستفادة من التقدّم في هذا المجال آنذاك.
ستستخدم PLATO مجموعة من 26 كاميرا (تشير كلمة "كاميرا" هنا إلى البصريات التلسكوبية وتجميع مستوى البؤرة، بما في ذلك جميع الأجهزة المساعدة مثل الحواجز الضوئية والإلكترونيات وغيرها) تتكوّن من عناصر بصرية انكسارية بقطر يقارب 20 سم، ومجال رؤية واسع جدًّا (نحو 40 درجة في القطر)، وفتحة فعّالة بقطر 12 سم.
يغطّي مجال رؤية كل كاميرا مصفوفة من الكواشف تبلغ مساحة تغطيتها نحو 1037 درجة مربّعة. وتُرتّب 24 كاميرا في أربع مجموعات، كل مجموعة تضم ستّ كاميرات، متراصفة على أربعة مجالات رؤية متداخلة قليلًا. وبذلك ستعتمد نسبة الإشارة إلى الضوضاء لكل نجم على موقعه الدقيق ضمن مجال الرؤية الكلّي لـ PLATO. يبلغ مجال الرؤية الكلّي للنظام نحو 2100 درجة مربّعة . أمّا الكاميرتان المتبقيتان فمخصّصتان للرصد السريع للنجوم الساطعة جدًّا، وقياسات ألوانها ، والتوجيه الدقيق والملاحة. ويحتوي مستواهما البؤري على كواشف "نقل الإطار" تسمح بتغطية تزيد على 600 درجة مربّعة. تُحافِظ هندسة التغطية السماوية، في الظروف الاسمية، على التماثل عند تدوير 90 درجة حول خطّ البصر، بما يضمن ثبات التغطية طوال فترة التوجيه ويتيح المعايرة المستمرة أثناء الطيران بين الكاميرات المختلفة. ويُحتسب الامتثال لمواصفات الأداء باستخدام نماذج لتدهور الأداء على مدى عمر البعثة، نتيجةً بالأساس لتراجع معتدل في النفاذية بفعل الإشعاع الكوني (مع استخدام زجاج مُقاوم للإشعاع للعناصر البصرية الأكثر تعرّضًا) ، وكذلك بافتراض أسوأ سيناريو قد تتعطّل فيه الكواشف أو الأنظمة الكهربائية في كاميرتين بحلول نهاية العمر التشغيلي.
وبسبب القيود على معدل نقل البيانات من القمر الصناعي إلى الأرض، لا يمكن تنزيل صور CCD كاملة بمعدّل كافٍ لاكتشاف الكواكب؛ لذا من الضروري اختيار أهداف PLATO مُسبقًا. لعيّنة فرعية من الأهداف، تُنزَّل "طوابع بريدية" مخصّصة (imagettes) إلى الأرض؛ أمّا للنجوم المختارة الأخرى، فسيُجرى تحديد المركز والقياس الضوئي على متن القمر الصناعي ثم تُنزَّل النتائج إلى الأرض. اتّبعت بعثات فضائية سابقة النهج نفسه: فهرس CoRoT Exo‑Dat ، وفهرس مُدخلات Kepler ، وفهرس مُدخلات K2 ، وفهرس مُدخلات TESS اختيرت بها أفضل الأهداف للبحث عن الكواكب الخارجية.
في هذا البحث، نقدّم فهرس مُدخلات PLATO الشامل للسماء (asPIC)، والذي يهدف أساسًا إلى أن يكون قاعدة البيانات الرئيسية لاختيار أهداف PLATO. إن تحديد خصائص نجوم PLATO المضيفة أمرٌ حاسم لتحديد خصائص الكواكب العابرة؛ فعلى سبيل المثال، يرتبط عدم اليقين في أنصاف أقطار الكواكب مباشرةً بعدم اليقين في نصف قطر النجم المضيف. كما أنّ الخصائص الكلاسيكية للنجوم المضيفة ضرورية لنمذجة النجوم باستخدام علم الزلازل النجمي. إضافةً إلى ذلك، تعتمد قابلية الكوكب للسكن، إلى جانب عوامل أخرى، على خصائص النجم المضيف. كذلك تتيح معرفة معلمات النجوم إجراء دراسة إحصائية لتكرار الكواكب كدالة لنوع النجم، والمعدنية، والبيئة، وغيرها .
يتطلّب بناء مثل هذا الفهرس ليس فقط تحديد النجوم من النوع الطيفي وفئة اللمعان المطلوبين عبر السماء كلّها، بل يتطلّب أيضًا أخذ قيود الضوضاء في الاعتبار لتسهيل اكتشاف الكواكب العابرة حول المصادر المختارة. لذا تُحدَّد حدود لنطاق القدر الضوئي لعينة النجوم وفقًا لمتطلبات البعثة، ويجب تقييم درجة التلوّث الضوئي لكل هدف من المصادر المجاورة. سيكون مقياس البكسل في PLATO هو 15 ثانية قوسيّة لكل بكسل على المحور، وهو ما يقع بين مقياس Kepler وTESS .
من المتوقّع أن تغطّي دالّة انتشار النقطة (PSF)، رغم تغيّرها الطفيف عبر مجال الرؤية واعتمادها على الحالة الحرارية للكاميرات، مساحة بضع بكسلات . ونتيجةً لذلك، قد تتداخل عدة مصادر، خاصةً في الحقول المزدحمة، ضمن فتحة قياس ضوئي واحدة وتتسبّب في إيجابيات كاذبة . وبشكل أكثر تحديدًا، سيُستخدم فهرس asPIC من أجل:
اختيار أفضل حقول الرصد لـ PLATO؛
اختيار جميع نجوم الأقزام FGKM والنجوم تحت العملاقة التي تلبي قيود القدر الضوئي ونسبة الإشارة إلى الضوضاء المحدّدة في متطلبات عيّنة نجوم PLATO؛
تقدير المعلمات الأساسية للنجوم لكل الأهداف، مثل درجات الحرارة، وأنصاف الأقطار، والكتل؛
تحديد النجوم المتغيّرة المعروفة، والثنائيات، وأعضاء الأنظمة المتعدّدة، والنجوم النشطة باستخدام أقنعة بتّية، وتلخيص المعلومات المتاحة من الفهارس الحالية، أي بشكل رئيسي إصدارات Gaia وTESS؛
توفير قائمة بجميع المُلوِّثات الضوئية للأهداف حتى مسافة زاوية محدّدة من الهدف وحتى حدّ قدر ضوئي معيّن، لفهم تأثيرها على الأداء الضوئي ولمواجهة تحدّي التلوّث الخلفي في التحقّق من صحة الكواكب المرشّحة؛
توجيه تنظيم واستراتيجية الرصد الأرضي اللاحق وتحسينهما.
أظهرت المحاولات السابقة لإنتاج هذا الفهرس أنّ الأمر ليس هيّنًا. فمن الصعب على وجه الخصوص التمييز بدقّة بين الأقزام والنجوم المتطوّرة دون معرفة دقيقة للمعان المطلق للمصادر. استُخدمت "الحركة الذاتية المُخفَّضة" في الماضي لهذا الغرض ، لكن هذه التقنية أُتيح ما يتجاوزها الآن بفضل توافر اختلافات المنظر (المناظر) المثلثية من Gaia DR2 3 لقرابة جميع أهداف PLATO، مما يسمح بتحديد دقيق للمسافات وبالتالي للمعان المطلق.
بعد اعتماد وكالة الفضاء الأوروبية للبعثة (يونيو 2017)، دخلت PLATO مؤخرًا مرحلتَي التطوير الصناعي C–D الكاملتين (مارس 2020) استعدادًا للإطلاق في 2026. في هذه المرحلة من التطوير، لم تُحدَّد بعد حقول LOP النهائية لـ PLATO (سيتم ذلك قبل الإطلاق بسنتين). يركّز العمل الحالي على فهرس asPIC. هذا الفهرس متاح علنًا للمجتمع العلمي وسيُحدَّث كلّما طرأت تغييرات ذات صلة، بما في ذلك الإصدارات الجديدة من Gaia.
بعد وصف موجز لمتطلبات البعثة التي تحدّد عينات نجوم PLATO في القسم 2، نصف معايير اختيار الأهداف في القسم 3. ثم، في القسم 4، نصف كيف أخذنا في الاعتبار الإخماد والإحمرار بين‑النجميَّيْن في تحليلنا. نقدّم 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. ويقدّم القسم 8 ملخّصًا موجزًا للعمل الحالي.