Екзопланети: що це та як їх шукати

 https://universemagazine.com/wp-content/uploads/2018/10/zaglushka-e1538748301621.png
Василь Пріц
Аспірант, вчитель.

Не так уже й давно про планети за межами Сонячної системи можна було прочитати лише на сторінках фантастичних оповідань або в суто теоретичних міркуваннях учених. Якихось тридцять років тому існування перших таких об’єктів було доведено науковими методами. Пізніше для їхнього позначення почали вживати термін «екзопланета». Відтоді їхні дослідження просувалися, мабуть, найактивніше з усіх інших галузей астрономії. Зараз кількість підтверджених екзопланет сягнула п’яти тисяч. Для багатьох із них відомі фізичні характеристики та навіть властивості атмосфер. Як же вдалося досягти такого прогресу?

Протопланетний диск
Протопланетний диск PDS 70 із новоутвореною планетою PDS 70b (праворуч). Джерело: ESO/A. Müller et al.

Слово «планета» у перекладі з грецької означає «та, що блукає небом». Таку назву дали давньогрецькі спостерігачі за зорями деяким яскравим небесним світилам, що змінювали своє положення відносно «зоряного фону» — сузір’їв. Тільки після винаходу телескопа на початку XVII століття люди змогли побачити поверхні цих світил.

Однак ще Джордано Бруно у своїй праці «Про нескінченність, Всесвіт і світи» припускав, що, крім нашої планети, нашого світу, існує незмірна кількість інших світів, де також, можливо, є життя.

І він у певному сенсі був правий! Сьогодні відомо, що за межами нашої Сонячної системи існують планети, які обертаються навколо інших зір — екзопланети (або позасонячні планети).

Першою офіційно підтвердженою екзопланетою вважається PSR B1 257+12 с, що була відкрита 1992 року Александром Вольщаном на радіообсерваторії Аресібо. Вона є одніим із трьох планетоподібних об’єктів, які обертаються навколо пульсара PSR B1 257+12. А вже 1995 року астрономи Мішель Майор і Дідьє Кело відкрили екзопланету 51 Пегаса b, що обертається навколо зорі головної послідовності. За це відкриття їх нагородили Нобелівською премією з фізики за 2019 рік (другу половину отримав Джеймс Піблз за дослідження у космології).

За даними NASA, станом на 9 вересня 2021 року загалом підтверджених екзопланет налічувалося 4566, кандидатів, що потребують перевірки — 7913, а планетних систем — 3385.

Протопланетний диск
За допомогою радіотелескопа ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) астрономи знайшли біля внутрішнього краю пилового кільця, що оточує зорю PDS 70, молоду екзопланету, яка має власний пиловий диск — очевидно, пізніше з нього утворяться її супутники. Джерело: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/Benisty et al

Як і у планет Сонячної системи, у екзопланет багато фізичних властивостей — таких, як маса, радіус, об’єм, густина, альбедо, температура поверхні, орбітальний період, ексцентриситет і нахил орбіти. За масою вони варіюються в межах від кількох мас Місяця до понад двадцяти п’яти мас Юпітера. Найлегшою вважається екзопланета Драугр, маса якої приблизно удвічі більша за місячну. А найважчою — HR 2562 b із масою біля тридцяти юпітеріанських.

Найменша відома екзопланета SDSS J1228+1040 b має радіус у 0,0101 земного, тобто вона у сто разів менша за Землю! А ось найбільшою позасонячною планетою вважається HD 100546 b: її розмір майже всемеро перевищує радіус Юпітера.

Однак зарано втішатися цією цікавою картиною. Річ у тім, що на сьогодні немає певної межі, де закінчуються планети та починаються зорі. Так, існує визначення поняття «планета» від Міжнародного астрономічного союзу (МАС), через яке колись улюбленець публіки Плутон був виключений з числа великих планет Сонячної системи. Однак це визначення не поширюється на екзопланети. Тому слід зауважити, що багато з них можуть бути так званими субкоричневими карликами — об’єктами, меншими за коричневі карлики. Тобто це самосвітні космічні тіла, що займають проміжне положення між зорею та планетою. Серед астрономів досі немає одностайної думки, чи відносити коричневі та субкоричневі карлики до планет або ж до зірок, а також — чи вважати процес утворення екзопланет класифікаційною ознакою, оскільки шлях формування субкоричневих карликів, наприклад, аналогічний до механізму формування «звичайних» зір.

Найгарячішою з відомих позасонячних планет вважається KELT-9b. Вона є настільки внутрішньо гарячою, що розриває молекули водню у своїй атмосфері, а температура її поверхні сягає 4300°С. Її відносять до так званих «гарячих юпітерів» — екзопланет із масою від половини до кількох мас Юпітера, що обертаються на відстані менше 0,15 астрономічних одиниць від своєї зорі.

Дві гігантські екзопланети
Знімок, зроблений за допомогою приладу SPHERE, дозволяє побачити дві гігантські екзопланети, які обертаються навколо зорі TYC 8998-760 (її «затінене» зображення видно у верхньому правому куті). Це перша безпосередня реєстрація планетоподібних супутників світила сонячного типу. Джерело: ESO/Bohn et al.

Періоди обертання екзопланет коливаються від кількох годин (для найближчих до центрального світила) до тисяч років. Деякі з них настільки віддалені від своєї зорі, що важко сказати, чи «прив’язані» вони взагалі до неї гравітаційно. Найшвидша з відомих на сьогодні екзопланет SWIFT J1756.9-2508 b обертається навколо свого світила за 48 хвилин 56,5 секунди — це трохи довше одного уроку в школі. А найповільніше обертається COCONUTS-2b з періодом в 1,1 млн років. Довгенько доведеться чекати свого наступного дня народження на цій планеті…

Методи детектування екзопланет

Спостерігати екзопланети дуже складно. По-перше, оскільки вони надто далеко. По-друге, тому що вони дуже малі, порівняно з галактиками та зорями. І по-третє — через їхній низький блиск. Об’єднуючи перші дві причини, можна також сказати, що їхні кутові розміри на небі надзвичайно малі. Для розуміння: розгледіти екзопланету в телескоп — це приблизно те саме, що подивитися з Землі на 50-копійчану монету на поверхні Плутона.

Околиці Сонячної системи
На цій схемі Чумацького Шляху показані околиці Сонячної системи (червоний колір) і зорі, біля яких знайшли планети методом мікролінзування у процесі реалізації проєкту OGLE (жовтий колір). Червоним «віялом» нанесений сектор спостереження космічної обсерваторії Kepler під час її основної місії з 2009 до 2014 року. Екзопланету OGLE­2014­BLG­0124L допоміг виявити космічний телескоп Spitzer. Джерело: NASA/JPL-Caltech

Утім, астрономи примудряються це робити! Однак як їм це вдається?

Вчені-екзопланетологи придумали цікаві методи для виявлення позасонячних планет. До основних належать: прямий метод, транзитна фотометрія, метод гравітаційного мікролінзування, радіальних швидкостей і астрометричний метод.

Метод прямого зображення

Прямий метод, або метод прямого зображення дає можливість, по суті, «сфотографувати» планету біля батьківської зорі. Річ у тім, що такі тіла випромінюють мало світла порівняно з зорями, тому останні їх «засвічують». Але якщо використати коронограф (прилад, що закриває диск зорі, аби «відсікти» випромінювання навколо неї), можна виявити слабкий об’єкт неподалік світила.

Метод прямого зображення
Метод прямого зображення

Чому неподалік? Якщо планета розташована досить далеко від зорі, вона отримує від неї та відбиває мало світла, а температура її поверхні невелика. Інша справа, якщо планета достатньо велика і розташована настільки близько до свого сонця, аби потрапити у його теплі «обійми». У цьому випадку вона випромінюватиме багато інфрачервоних хвиль (бо дуже гаряча), які виділятимуться на тлі сукупного випромінювання системи. На зображенні це матиме вигляд невеличкої гарячої «плямки». Усі обсерваторії та прилади, що дають можливість отримати зображення таких планет, розміщені на Землі.

Транзитний метод

Метод транзитів, або транзитний фотометричний метод є одним із непрямих способів детектування позасонячних планет в екзопланетології. Він полягає у тому, що ми можемо виявити наявність супутника у зорі завдяки періодичному рівному падінню її блиску.

Метод транзитів
Метод транзитів

За допомогою цього методу було відкрито найбільше екзопланет. Спостереження велися як із космосу (апарати CоRоT, Kepler і TESS), так і на Землі (наземні проєкти MEarth Project, SuperWASP, KELT і HATNet). Але орбіти таких об’єктів повинні бути орієнтовані особливим чином — мати якомога менший кут між орбітальною площиною та нашим променем зору.

Метод гравітаційного мікролінзування

Відомий факт, що, згідно Загальної теорії відносності, масивні тіла викривлюють простір і час у своїх околицях. Це дає можливість виявити об’єкти, які обертаються навколо зір. Світло, що йде від далекого світила до нас, проходячи біля екзопланети, починає рухатися за викривленою траєкторією. Тобто планета виступає в якості лінзи, концентруючи світло віддалених фонових світил. Такий метод називається методом гравітаційного мікролінзування.

Метод гравітаційного мікролінзування
Метод гравітаційного мікролінзування

Він виявився найбільш плідним для планет, розташованих між Землею та центром Чумацького Шляху, оскільки галактичний центр забезпечує велику кількість фонових зір. Спостереження зазвичай проводять за допомогою мереж роботизованих телескопів (наприклад, OGLE та MOA).

Астрометричний метод

Найстаріший серед методів — астрометричний. За його допомогою можна виявити вплив гравітаційного поля масивного супутника на зорю, що проявляється як зміна траєкторії її руху небом. Наразі відома лише одна офіційно підтверджена екзопланета, відкрита за допомогою цього методу — HD 176051 b у сузір’ї Ліри. Але у недалекому майбутньому такі космічні місії, як Gaia та Nano-JASMINE, дадуть змогу поповнити лави цього скромного «театру одного актора».

Астрометричний метод
Астрометричний метод

Метод радіальних швидкостей

Також екзопланети можна виявити, використовуючи метод радіальних швидкостей. Його ще називають методом Доплера чи доплерівською спектроскопією. Існування екзопланет доводять завдяки аналізу змін у спектрі тієї або іншої зорі. Якщо навколо неї обертається достатньо масивний об’єкт, він трохи «розгойдує» центральне світило своєю гравітацією. Оце «погойдування» ми й спостерігаємо у вигляді періодичного зсуву спектральних ліній. До 2010 року цей метод був найуспішнішим для «полювання» на позасонячні планети. Однак після запуску космічного апарата Kepler головним інструментом для їхнього виявлення став транзитний фотометричний метод, а доплерівська спектроскопія відсунулася на друге місце.

Метод радіальних швидкостей
Метод радіальних швидкостей

Серед космічних апаратів, що взяли участь у відкритті позасонячних планет, варто згадати Kepler, Hubble, Spitzer і TESS. Наземних телескопів використали дуже багато, тож перераховувати їх не будемо.

Кількість підтверджених екзопланет, відкритих за допомогою різних методів станом на 10 листопада 2021 року:

  • метод радіальних швидкостей — 896;
  • метод транзитів — 3440;
  • метод прямих зображень — 54;
  • метод гравітаційного мікролінзування — 118;
  • астрометричний метод — одна планета.

Зона, придатна для життя

Очевидно, що нас, людей, цікавить, чи є на цих космічних тілах щось живе. Наразі жодних його ознак не виявили. Однак існує область простору навколо зорі, яка називається зоною, придатною для життя (зоною населеності), або «зоною Золотоволоски». Якщо у ній перебуватиме екзопланета, то на її поверхні можливе існування води в рідкому стані. Ця ознака сьогодні вважається необхідною умовою для виникнення життя.

Енергія, отримувана планетою від зорі (відносно сонячної енергії, що надходить на Землю)

Якщо екзопланета в зоні населеності ще й за масою та розмірами схожа на Землю, вона називається землеподібною, чи «екзо-Землею». Коли ж її маса більша за земну, але набагато менша, ніж у планет-гігантів, такий об’єкт називають «надземлею», або «супер-Землею».

Отже, у зоні, придатній для життя, на поверхні планети ані надто холодно, ані дуже спекотно. Однак розташування цієї зони залежить від розміру та температури центральної зорі. Наприклад, якщо вона має невелику як на зоряні мірки температуру, то й зона населеності має бути недалеко від її поверхні. Та якщо це гарячий блакитний надгігант — ця зона буде дуже віддаленою від розпеченого світила.

Порівняння різних типів зір
Порівняння різних типів зір із точки зору наявності життєпридатних планет. Червоні карлики класу M (вгорі) найрозповсюдженіші у Всесвіті, а тривалість їхнього активного існування сягає сотень мільярдів років, тобто вони забезпечують багато часу для виникнення та еволюції життя. Але їхні зони населеності мають невеликий розмір і там спостерігається високий рівень небезпечного високоенергетичного випромінювання. Помаранчеві карлики класу K «живуть» від 15 до 50 млрд років, однак у їхніх околицях значно більше «місця для життя». Ще більше його поблизу сонцеподібних зір класу G (внизу). Вони безпечніші в сенсі радіації, але існують не довше 15 млрд років, складаючи лише 7-10% загальної зоряної популяції. Джерело: NASA, ESA and Z. Levy (STScI)

Також слід зауважити, що для виникнення життя необхідна низка інших умов, окрім відстані від зорі. Зокрема, це хімічний склад планет, наявність магнітного поля, рівень радіації тощо.

Особливого розголосу отримало відкриття семи екзопланет, які обертаються навколо холодного червоного карлика TRAPPIST-1. За словами науковців, щонайменше три з них розташовані у придатній для життя області простору.

TRAPPIST­-1
Зоря TRAPPIST-­1 випромінює дуже мало енергії порівняно з Сонцем, тому, щоб потрапити до зони населеності (позначена зеленим кольором), її супутники мають розташовуватися дуже близько до неї. На цій схемі показані внутрішні планети Сонячної системи (внизу) та система TRAPPIST-­1 , збільшена у 25 разів. Джерело: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/Benisty et al.

Усі відомі екзопланети знайдені в нашій галактиці Чумацький Шлях. Це й не дивно, адже, як йшлося вище, детектувати їх украй складно через крихітні кутові розміри. Найвіддаленіша екзопланета, відкрита на сьогодні, розташована біля центру Галактики, тобто на відстані близько 25 тисяч світлових років.

Але чи існують екзопланети в інших галактиках? Логічно припустити, що так. Принцип Бруно-Коперника твердить, що наша планета не займає привілейованої позиції у Всесвіті. Тому, найімовірніше, в інших зоряних системах також існує багато різноманітних екзопланет. Це підтверджують нещодавні спостереження астрономів Гарвард-Смітсонівського центру астрофізики, які, використовуючи дані телескопу Chandra (NASA) та XMM-Newton (ESA), можливо, зареєстрували такого «транзитного клієнта». Потенційна екзопланета M51-ULS-1b перебуває на відстані 28 млн світлових років від нас у спіральній галактиці M51, також відомій під назвою «Вир» (Водоворот).

Галактика M51
Зображення галактики M51 за даними рентгенівського телескопа Chandra (кольори умовні). Квадратом позначена область, представлена нижче на оптичному знімку обсерваторії Hubble. Кружечком обведене положення зорі M51-ULS-1, біля якої знайдено екзопланету. Джерело: arXiv:2009.08987

Екзопланетологія — досить молода галузь астрономії, але в ній уже зроблено стільки відкриттів! І навіть важко уявити, скільки цікавого вона розповість нам у майбутньому.

Тільки найцікавіші новини та факти у нашому Telegram-каналі!

Долучайтеся: https://t.me/ustmagazine