Краткое сравнение методов и что каждый даёт (принцип → измеряемые параметры → ограничения). Формулы в KaTeX.
Астрометрия высокоточная
- Принцип: измерение малых смещений положения звезды из‑за орбитального движения вокруг общего центра масс.
- Основные параметры: истинная масса планеты (при наличии орбитных элементов), полный набор орбитальных элементов (период $P$, большие полуоси $a$, наклонение $i$, эксцентриситет $e$, аргумент перицентра и т.д.). Астрометрический сигнал приблизительно
$\alpha =\frac{M_p}{M_{\ast }}\frac{a}{d}$ (радианы), где $M_p,M_{\ast }$ — массы, $a$ — полуось (AU), $d$ — расстояние (AU).
- Плюсы: даёт истинную (не проективную) массу и наклонение; чувствительна к дальним и массивным планетам.
- Минусы: требуются экстремально малые угловые точности (мкас); менее чувствительна к короткопериодным и маломассивным планетам.
- Атмосфера: напрямую не даёт спектральной информации о атмосфере.
Спектроскопия высокого разрешения (HR; кросс‑корреляция, Doppler‑отслеживание линий планеты)
- Принцип: выделение молекулярных или атомных линий движущейся планеты в сумме со спектром звезды+земным фоном; позволяет измерять радиальную скорость планеты $K_p$.
- Основные параметры: подтверждение состава атмосферы (молекулы: CO, H2O, TiO и др.), скорости ветров/сдвигов линий, вращение планеты $v\sin i$ (через ширину линий), кинематические параметры $K_p$ (а значит при комбинировании с RV — истинная масса и наклонение). RV полуамплитуда планеты:
$K={\left(\frac{2\pi G}{P}\right)}^{1/3}\frac{M_p\sin i}{(M_{\ast }+M_p{)}^{2/3}}\frac{1}{\sqrt{1-e^2}}$.
- Плюсы: чувствительна к молекулярным сигнатурам даже для невtransитных объектов; высокоразрешённые линии дают динамику атмосферы.
- Минусы: требует высокой S/N, хорошо работает для ярких звёзд и/или горячих планет с сильными линиями; сложна для очень холодных слабых объектов.
Транзитная фотометрия (и связанная спектроскопия при транзите/втором затмении)
- Принцип: измерение уменьшения света звезды при прохождении планеты по диску (и вторичного затмения для теплового излучения/отражённого света).
- Основные параметры: радиус планеты $R_p$ из глубины транзита
$\delta ={\left(\frac{R_p}{R_{\ast }}\right)}^2$; плотность при наличии массы ${\rho }_p=\frac{M_p}{\frac{4}{3}\pi R_p^3}$. Орбитальные параметры: $P$, $i$ (очень точно), относительная полуось $a/R_{\ast }$, время транзита (TTV при мультисистемах → массы/взаимодействия).
- Атмосфера: транзитная (transmission) спектроскопия даёт состав примыкающей атмосферы на терм. уровне терминатора; амплитуда сигналов зависит от масштабной высоты $H=\frac{k_{B}T}{\mu g}$ и оценивается примерно как
$\Delta {\delta }_{\mathrm{atm}}\sim \frac{2H{R}_p}{R_{\ast }^2}$. Вторичное затмение (emission) и фазовые кривые дают температуру дниной/ночной стороны, альбедо, распределение тепла.
- Плюсы: даёт точный радиус, плотность (при массе), богатые атмосферные спектры для горячих/средних планет.
- Минусы: требует удачного геометрического выравнивания (только транзитные); слабые сигнал‑амплитуды для малых/холодных планет; влияние облаков/газа затрудняет интерпретацию.
Прямое изображение
- Принцип: пространственное отделение света планеты от звезды (коронография, АО, интерферометрия) и получение спектра отражённого или термического света.
- Основные параметры: спектральный/фотометрический поток → эффективная температура, химический состав (молекулы, облака), альбедо; при известном расстоянии и возрасте + модель эволюции → масса (модельно), а в сочетании с астрометрией/RV — истинная масса; орбитальные элементы для широких орбит. Рабочая ограничительная угловая шкала ~ inner working angle:
${\theta }_{\mathrm{IWA}}\sim \frac{\lambda }{D}$.
- Плюсы: напрямую изучает атмосферу, облака, карты (фазовые кривые, вращение); хорош для широких орбит и молод/горячих гигантов; полезен для отражённого света бóльших расстояний от звезды.
- Минусы: ограничен угловым разрешением и контрастом (звезда vs планета), труден для близких и слабых/мелких планет.
Оптимальные комбинации методов (какие сочетания что дают)
- Транзит + RV (или HR‑спектроскопия для $K_p$): базовый «золотой стандарт» для малых и средних планет. Даёт истинную массу (RV+астро/HR → убрать $\sin i$), радиус, плотность, transmission/emission spectra → состав атмосферы, температура, облака. Особенно эффективен для горячих и тёплых короткопериодных супер‑Земей и Нептунов.
- Транзит + HR‑спектроскопия: для невысоких масс позволяет детально изучить атмосферу (молекулы, ветры, $v\sin i$), т.к. HR может выделять сигнатуры на фоне звезды.
- Астрометрия + RV (или астрометрия + прямое изображение): даёт истинную массу и полные орбиты для широких и длиннопериодных планет; критично для масс гигантов и планет в зоне обитания у ближайших звёзд.
- Прямое изображение + спектроскопия (низкое/высокое R) + астрометрия: оптимально для молодых/широкорасположенных гигантов — напрямую измеряется спектр, температура и (с астрометрией) точная масса. HR‑спектры прямых изображений дают динамику и химсостав на высокой детализации.
- Транзит + прямое изображение: редко совместимы (различные орбиты), но если доступны, дают радиус + прямой спектр/альбедо → сильные ограничения на состав и энергообмен.
- TTV (дополнение к транзитам) + RV: хорошо для систем многопланетных супер‑Земей, где RV слаб; TTV даёт массы при резонансах.
Рекомендации по типам планет
- Горячие «горячие Юпитеры/нептуны»: транзит + RV + HR для атмосферы (emission, transmission, ветры).
- Тёплые/супер‑Земли вокруг ярких ближайших звёзд: транзит + ультрачувствительная RV (или астрометрия если непроективная масса важна) + глубокая transmission spectroscopy; для нетранзитных — HR спектроскопия + астрометрия/прямая визуализация (если удалены).
- Землеподобные в зоне обитания: лучший комплект — астрометрия (истинная масса) + прямое изображение с высокоспектральной чувствительностью (рефлектал/терм. спектр) для поиска биомаркеров; если транзитируют — транзит+RV даёт плотность и transmission/emission, но транзиты редки.
- Широкие молодые гиганты: прямая визуализация + спектроскопия + астрометрия → спектр, температура, облака, истинная масса.
Ключевые замечания, кратко:
- RV даёт массу × sin(i); астрометрия или HR измерение $K_p$ убирают синус‑неопределённость.
- Транзит даёт радиус; вместе с массой → плотность и вывод о внутренней структуре.
- Для атмосферы: транзит (терминатор), второе затмение/фазы (день/ночь) и HR‑спектры (молекулы/ветры) дополняют друг друга; прямая визуализация даёт спектр отражённого/теплового света и карты облачности/альбедо.