Экзопланеты: что это и как их искать

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

Не так уже и давно о планетах за пределами Солнечной системы можно было прочитать лишь на страницах фантастических рассказов или в сугубо теоретических рассуждениях ученых. Каких-то три десятка лет назад существование первых таких объектов было доказано научными методами. Позже для их обозначения начали использовать термин «экзопланета». С тех пор их исследования продвигались, наверное, наиболее активно из всех прочих отраслей астрономии. Сейчас количество подтвержденных экзопланет достигло пяти тысяч. Для многих из них известны физические характеристики и даже свойства атмосфер. Как же удалось достичь такого прогресса?

Протопланетний диск
Протопланетный диск PDS 70 с новообразованной планетой PDS 70b (справа). Источник: ESO/A. Müller et al.

Слово «планета» в переводе с греческого означает «блуждающая по небу». Такое название дали древнегреческие наблюдатели за звездами нескольким ярким небесным светилам, менявшим свое положение относительно «звездного фона» — созвездий. Только после изобретения телескопа в начале XVII века люди смогли увидеть поверхности этих светил.

Однако еще Джордано Бруно в своей работе «О бесконечности, Вселенной и мирах» предполагал, что, кроме нашей планеты, нашего мира, существует неизмеримое количество других миров, где также, возможно, есть жизнь.

И в определенном смысле он был прав! Сегодня известно, что за пределами нашей Солнечной системы существуют планеты, обращающиеся вокруг других звезд — экзопланеты (или внесолнечные планеты).

Первой официально подтвержденной экзопланетой считается PSR B1 257+12 с, открытая в 1992 году Александром Вольщаном на радиообсерватории Аресибо. Она является одним из трех планетоподобных объектов, обращающихся вокруг пульсара PSR B1 257+12. А уже в 1995-м астрономы Мишель Майор и Дидье Кело открыли экзопланету 51 Пегаса b на орбите вкоруг звезды главной последовательности. За это открытие их наградили Нобелевской премией по физике за 2019 год (вторую половину получил Джеймс Пиблз за исследования в области космологии).

Согласно данным NASA, по состоянию на 9 сентября 2021 года подтвержденных экзопланет насчитывалось 4566, кандидатов, требующих проверки — 7913, а планетных систем — 3385.

Протопланетний диск
С помощью радиотелескопа ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) астрономы нашли возле внутреннего края пылевого кольца, окружающего звезду PDS 70, молодую экзопланету, которая имеет собственный пылевой диск — очевидно, позже из него образуются ее спутники. Источник: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/Benisty et al

Как и у планет Солнечной системы, у экзопланет много физических свойств — таких, как масса, радиус, объем, плотность, альбедо, температура поверхности, орбитальный период, эксцентриситет и наклон орбиты. По массе они варьируются в пределах от нескольких масс Луны до более чем 25 масс Юпитера. Самой легкой считается экзопланета Драугр, масса которой приблизительно вдвое больше лунной. А самой тяжелой — HR 2562 b с массой около тридцати юпитерианских.

Самая маленькая известная экзопланета SDSS J1228+1040 b имеет радиус в 0,0101 земного, то есть она в сто раз меньше Земли! А вот крупнейшей внесолнечной планетой считается HD 100546 b: ее размер почти в семь раз превышает радиус Юпитера.

Однако утешаться этой интересной картиной пока рано. Дело в том, что на данный момент мы не знаем границы, где заканчиваются планеты и начинаются звезды. Да, существует определение понятия «планета» от Международного астрономического союза (МАС), из-за которого когда-то любимец публики Плутон был исключен из числа больших планет Солнечной системы. Однако это определение не распространяется на экзопланеты. Поэтому следует уточнить, что многие из них могут быть так называемыми субкоричневыми карликами — объектами, меньшими, чем коричневые карлики. То есть это самосветящиеся космические тела, занимающие промежуточное положение между звездой и планетой. Среди астрономов до сих пор нет единого мнения, относить ли коричневые и субкоричневые карлики к планетам или звездам, а также — считать ли процесс образования экзопланет классификационным признаком, поскольку путь формирования субкоричневых карликов, например, аналогичен механизму формирования «обычных». звезд.

Наиболее горячей из уже открытых внесолнечных планет считается KELT-9b. Она разогрета до такой степени, что в ее атмосфере молекулы водорода распадаются на атомы, а температура ее поверхности достигает 4300°С. Ее относят к так называемым «горячим юпитерам» — экзопланетам с массой от половины до нескольких масс Юпитера, обращающихся на расстоянии меньше 0,15 астрономических единиц от своей звезды.

Дві гігантські екзопланети
Снимок, сделанный с помощью прибора SPHERE, позволяет увидеть две гигантские экзопланеты, обращающихся вокруг звезды TYC 8998-760 (ее «затененное» изображение видно в верхнем правом углу). Это первая непосредственная регистрация планетоподобных спутников светила солнечного типа. Источник: ESO/Bohn et al.

Периоды обращения экзопланет колеблются от нескольких часов (для самых близких к центральному светилу) до тысяч лет. Некоторые из них настолько удалены от своей звезды, что трудно сказать, связаны ли они вообще с ней гравитационно. Самая быстрая из известных на данный момент экзопланет SWIFT J1756.9-2508 b обращается вокруг своего светила за 48 минут 56,5 секунды — это чуть дольше одного урока в школе. А медленнее всего обращается COCONUTS-2b с периодом в 1,1 млн лет. Долго же придется ждать своего следующего дня рождения на этой планете…

Методы детектирования экзопланет

Наблюдать экзопланеты очень сложно. Во-первых, поскольку они слишком далеки. Во-вторых, потому что они очень малы по сравнению с галактиками и звездами. И в-третьих — из-за их низкого блеска. Объединяя первые две причины, можно также сказать, что их угловые размеры на небе крайне малы. Для понимания: рассмотреть экзопланету в телескоп — это примерно то же самое, что посмотреть с Земли на 50-копеечную монету на поверхности Плутона.

Околиці Сонячної системи
На этой схеме Млечного Пути показаны окрестности Солнечной системы (красный цвет) и звезды, вблизи которых нашли планеты методом микролинзирования в процессе реализации проекта OGLE (желтый цвет). Красным «веером» нанесен сектор наблюдения космической обсерватории Kepler во время ее основной миссии с 2009 по 2014 год. Экзопланету OGLE­2014­BLG­0124L помог найти космический телескоп Spitzer. Источник: NASA/JPL-Caltech

Впрочем, астрономы умудряются это делать! Но как им это удается?

Ученые-экзопланетологи придумали интересные методы для обнаружения внесолнечных планет. К основным относятся: прямой метод, транзитная фотометрия, гравитационное микролинзирование, метод радиальных скоростей и астрометрический метод.

Метод прямого изображення

Прямой метод, или метод прямого изображения, дает возможность, по сути, «сфотографировать» планету возле родительской звезды. Дело в том, что такие тела излучают мало света по сравнению со звездами, поэтому последние их «засвечивают». Но если использовать коронограф (прибор, закрывающий диск звезды, чтобы «отсечь» излучение вокруг нее), можно обнаружить слабый объект неподалеку от светила.

Метод прямого зображення
Метод прямого изображения

Почему неподалеку? Если планета расположена далеко от звезды, она получает от нее и отражает мало света, а температура ее поверхности невелика. Другое дело, если планета достаточно велика и расположена так близко к своему солнцу, что попадает в его теплые «объятия». В этом случае она будет излучать много инфракрасных волн (потому что очень горячая), которые будут выделяться на фоне совокупного излучения системы. На снимке это будет выглядеть небольшим горячим «пятнышком». Все обсерватории и приборы, позволяющие получать изображения таких планет, размещены на Земле.

Транзитный метод

Метод транзитов, или транзитный фотометрический метод, является одним из непрямых способов детектирования внесолнечных планет в экзопланетологии. Он состоит в том, что мы можем обнаружить наличие спутника у звезды благодаря периодическому равному падению ее блеска.

Метод транзитів
Метод транзитов

С помощью этого метода было открыто больше всего экзопланет. Наблюдения велись как из космоса (аппараты CоRоT, Kepler і TESS), так и на Земле (наземные проекты MEarth Project, SuperWASP, KELT і HATNet). Но орбиты таких объектов должны быть ориентированы особым образом — иметь как можно меньший угол между орбитальной плоскостью и нашим лучом зрения.

Метод гравитационного микролинзирования

Известен факт, что, согласно Общей теории относительности, массивные тела искривляют пространство и время в своих окрестностях. Это дает возможность обнаружить обращающиеся вокруг звезд объекты. Свет, идущий от далекого светила к нам, проходя мимо экзопланеты, начинает двигаться по искривленной траектории. То есть планета выступает в качестве линзы, концентрируя свет удаленных фоновых светил. Такой метод называется методом гравитационного микролинзирования.

Метод гравітаційного мікролінзування
Метод гравитационного микролинзирования

Он оказался наиболее плодотворным для планет, расположенных между Землей и центром Млечного Пути, поскольку галактический центр обеспечивает большое количество фоновых звезд. Наблюдения обычно производят с помощью сетей роботизированных телескопов (например, OGLE та MOA).

Астрометрический метод

Старейший среди методов — астрометрический. С его помощью можно выявить влияние гравитационного поля массивного спутника на звезду, проявляющееся как изменение траектории ее движения по небу. Пока известна лишь одна официально подтвержденная экзопланета, открытая с помощью этого метода — HD 176051 b в созвездии Лиры. Но в скором будущем такие космические миссии, как Gaia и Nano-JASMINE, дадут возможность пополнить ряды этого скромного «театра одного актера».

Астрометричний метод
Астрометрический метод

Метод радиальных скоростей

Также экзопланеты можно обнаружить, используя метод радиальных скоростей. Его еще называют методом Доплера или доплеровской спектроскопией. Существование спутников звезды доказывают благодаря анализу изменений в ее спектре. Если вокруг нее обращается достаточно массивный объект, он немного «раскачивает» центральное светило своей гравитацией. Вот это «покачивание» мы и наблюдаем как периодическое смещение спектральных линий. До 2010 года этот метод был самым успешным для «охоты» на внесолнечные планеты. Однако после запуска космического аппарата Kepler главным инструментом их обнаружения стал транзитный фотометрический метод, а доплеровская спектроскопия отодвинулась на второе место.

Метод радіальних швидкостей
Метод радиальных скоростей

Среди космических аппаратов, участвовавших в открытии внесолнечных планет, следует вспомнить Kepler, Hubble, Spitzer и TESS. Наземных телескопов использовалось очень много, поэтому перечислять их не будем.

Количество подтвержденных экзопланет, открытых с помощью различных методов по состоянию на 10 ноября 2021 года:

  • метод радиальных скоростей — 896;
  • метод транзитов — 3440;
  • метод прямых изображений — 54;
  • метод гравитационного микролинзирования — 118;
  • астрометрический метод — одна планета.

Зона, пригодная для жизни

Очевидно, что нас, людей, интересует, есть ли на этих космических телах что-нибудь живое. Пока никаких его признаков не обнаружили. Однако существует область пространства вокруг звезды, называемая зоной, пригодной для жизни (зоной обитаемости), или «зоной Златовласки». Если в ней окажется экзопланета, то на ее поверхности будет возможным существование воды в жидком состоянии. Этот признак сегодня считается необходимым условием для возникновения жизни.

Энергия, получаемая планетой от звезды (относительно солнечной энергии, поступающей на Землю)

Если экзопланета в зоне обитаемости еще и по массе и размерам похожа на Землю, она называется землеподобной, или «экзо-Землей». Когда же ее масса больше земной, но намного менше, чем у планет-гигантов, такой объект называют «сверхземлей», или «супер-Землей».

Следовательно, в зоне, пригодной для жизни, на поверхности планеты ни слишком холодно, ни очень жарко. Однако расположение этой зоны зависит от размера и температуры центральной звезды. Например, если она имеет небольшую по звездным меркам температуру, то и зона обитаемости должна быть недалеко от ее поверхности. Но если это горячий голубой сверхгигант — эта зона будет сильно удалена от раскаленного светила.

Порівняння різних типів зір
Сравнение различных типов звезд с точки зрения наличия пригодных для жизни планет. Красные карлики класса M (вверху) очень распространены во Вселенной, а продолжительность их активного существования достигает сотен миллиардов лет, то есть они обеспечивают много времени для возникновения и эволюции жизни. Но их зоны обитаемости имеют небольшой размер и там наблюдается высокий уровень опасного высокоэнергетического излучения. Оранжевые карлики класса K «живут» от 15 до 50 млрд лет, однако в их окрестностях гораздо больше «места для жизни». Еще больше его вблизи солнцеподобных звезд класса G (внизу). Они безопаснее в смысле радиации, но существуют не дольше 15 млрд лет, составляя лишь 7-10% общей звездной популяции.. Источник: NASA, ESA and Z. Levy (STScI)

Также следует отметить, что для возникновения жизни необходим ряд других условий, помимо расстояния от звезды. В частности, это химический состав планет, наличие магнитного поля, уровень радиации и т.п.

Особую огласку получило открытие семи экзопланет, обращающихся вокруг холодного красного карлика TRAPPIST-1. По словам ученых, как минимум три из них расположены в пригодной для жизни области пространства.

TRAPPIST­-1
Звезда TRAPPIST-­1 излучает очень мало энергии по сравнению с Солнцем, поэтому, чтобы попасть в зону обитаемости (обозначенную зеленым цветом), ее спутники должны располагаться очень близко к ней. На этой схеме показаны внутренние планеты Солнечной системы (внизу) и система TRAPPIST-­1 , увеличенная в 25 раз. Источник: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/Benisty et al.

Все известные экзопланеты найдены в нашей галактике Млечный Путь. Это и неудивительно — как говорилось выше, детектировать их крайне сложно из-за крохотных угловых размеров. Самая удаленная экзопланета, открытая на данный момент, расположена возле центра Галактики, то есть на расстоянии около 25 тысяч световых лет.

Но существуют ли экзопланеты в других галактиках? Логично предположить, что да. Принцип Бруно-Коперника утверждает, что наша планета не занимает привилегированного положения во Вселенной. Поэтому, вероятнее всего, в других звездных системах также имеется множество разнообразных экзопланет. Это подтверждают недавние наблюдения астрономов Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики, которые, используя данные телескопов Chandra (NASA) и XMM-Newton (ESA), возможно, зарегистрировали такого «транзитного клиента». Потенциальная экзопланета M51-ULS-1b находится на расстоянии 28 млн световых лет от нас в спиральной галактике M51, также известной под названием «Водоворот».

Галактика M51
Изображение галактики M51 по данным рентгеновского телескопа Chandra (цвета условные). Квадратом обозначена область, представленная ниже на оптическом снимке обсерватории Hubble. Кружочком обведено положение звезды M51-ULS-1, возле которой найдена экзопланета. Источник: arXiv:2009.08987

Экзопланетология — достаточно молодая отрасль астрономии, но в ней уже сделано столько открытий! И даже сложно представить, сколько интересного она поведает нам в будущем.

Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!
Присоединяйтесь: https://t.me/ustmagazine