Не так уж давно о планетах за пределами Солнечной системы можно было прочитать лишь на страницах фантастических рассказов или в сугубо теоретических рассуждениях ученых. Всего тридцать лет назад существование первых таких объектов было доказано научными методами. Позже для их обозначения стали употреблять термин «экзопланета». С тех пор их исследования продвигались, пожалуй, активнее всех других областей астрономии. Сейчас количество подтвержденных экзопланет приближается к пяти тысячам. Для многих из них известны физические характеристики и даже свойства атмосфер. Как же удалось достичь такого прогресса?
Слово «планета» в переводе с греческого означает «блуждающая по небу». Такое название дали древнегреческие наблюдатели за звездами некоторым ярким небесным светилам, которые меняли 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 своем труде «О бесконечности, Вселенной и мирах» предполагал, что, кроме нашей планеты, нашего мира, существует неизмеримое количество других миров, где также, возможно, есть жизнь.
И он в определенном смысле был прав! Сегодня известно, что за пределами нашей Солнечной системы существуют планеты, которые вращаются вокруг других звезд — экзопланеты (или внесолнечные планеты).
Первой официально подтвержденной экзопланетой считается PSR B1 257+12 с, которая была открыта в 1992 году Александром Вольщаном на радиообсерватории Аресибо. Эта экзопланета является одной из трех внесолнечных планет, которые вращаются вокруг пульсара PSR B1 257+12. А уже в 1995 году астрономы Мишель Майор и Дидье Кело открыли экзопланету 51 Пегаса b, которая вращается вокруг звезды главной последовательности. За это открытие их наградили Нобелевской премией по физике за 2019 год (вторую половину получил Джеймс Пиблз за исследования в космологии).
По данным NASA, по состоянию на 15 июля 2024 года в целом подтвержденных экзопланет насчитывалось 5690, кандидатов, требующих проверки — 7606, а планетных систем — 4238.
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 двадцати пяти — Юпитера. Самой легкой считается экзопланета Драугр, масса которой примерно вдвое больше лунной. А самой тяжелой — HR 2562 b с массой около тридцати юпитерианских.
Наименьшая известная экзопланета SDSS J1228+1040 b имеет радиус в 0,0101 земного, то есть она в сто раз меньше Земли! А вот самой большой внесолнечной планетой считается HD 100546 b, радиус которой достигает почти четырех радиусов Юпитера.
Однако рано утешаться этой интересной картиной. Дело в том, что на сегодня нет определенной границы, где заканчиваются планеты и начинаются звезды. Да, существует определение понятия «планета» от Международного астрономического союза (МАС), из-за которого некогда всеми любимый Плутон был исключен из числа больших планет Солнечной системы. Однако это определение не распространяется на экзопланеты. Поэтому следует заметить, что многие из них могут быть так называемыми субкоричневыми карликами — объектами, меньше коричневых карликов. То есть это самосветящиеся космические тела, занимающие промежуточное положение между звездой и планетой. Среди астрономов до сих пор нет единого мнения, относить коричневые и субкоричневые карлики к планетам или к звездам, а также — считать ли процесс формирования экзопланет классификационным признаком, поскольку путь формирования субкоричневых карликов, например, аналогичен механизму формирования «обычных» звезд.
Самой горячей из известных внесолнечных планет считается KELT-9b, которая настолько внутренне горячая, что разрывает молекулы водорода в своей атмосфере, а температура ее поверхности достигает 4300 °С. Ее относят к так называемым «горячим юпитерам» — экзопланетам с массой от половины до нескольких масс Юпитера, вращающимся на расстоянии менее 0,15 астрономических единиц от своей звезды.
Вращательный период экзопланет колеблется от нескольких часов (для тех, которые ближе всего к центральному светилу) до тысяч лет. Некоторые из них настолько удалены от своей звезды, что трудно сказать, «привязаны» ли они вообще к ней гравитационно. Самая быстрая из всех известных на сегодня экзопланет SWIFT J1756.9-2508 b вращается вокруг своей звезды за 48 минут 56,5 секунды — это чуть дольше одного урока в школе. А медленнее всего вращается COCONUTS-2b с периодом в 1,1 млн лет. Долговато таки ждать своего следующего дня рождения на этой планете…
Методы обнаружения экзопланет
Наблюдать экзопланеты очень сложно. Во-первых, поскольку они слишком далеко. Во-вторых, потому что они достаточно малы по сравнению с галактиками и звездами. И в-третьих — из-за их слабого блеска. Объединяя первые две причины, можно также сказать, что их угловые размеры на небе очень малы. Для понимания: разглядеть экзопланету в телескоп — это примерно так же, как посмотреть с Земли на 50 копеек, лежащих на поверхности Плутона.
Впрочем, астрономы умудряются это делать! Однако как им это удается?
Ученые-экзопланетологи придумали интересные методы для обнаружения внесолнечных планет. К основным методам относятся: прямой метод, транзитная фотометрия, метод гравитационного микролинзирования, метод радиальных скоростей и астрометрический метод.
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 собрать излучение вокруг нее), можно обнаружить слабый объект неподалеку от светила. Почему неподалеку? Если планета расположена достаточно далеко от звезды, она отражает мало света, а температура ее поверхности невелика. Другое дело, если планета достаточно велика и расположена настолько близко к своему солнцу, чтобы попасть 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 изображении это будет иметь вид небольшого горячего «пятна». Все обсерватории и приборы, позволяющие получить изображение таких планет, размещены на Земле.
Метод транзитов, или транзитный фотометрический метод является одним из косвенных способов обнаружения внесолнечных планет в экзопланетологии. Он заключается в том, что мы можем обнаружить наличие спутника у звезды благодаря периодическому ровному падению ее блеска. С помощью этого метода было открыто больше всего экзопланет. Наблюдения велись как из космоса (аппараты СоRоT, Kepler и TESS), так и на Земле (наземные проекты MEarth Project, SuperWASP, KELT и HATNet). Но плоскость орбиты таких спутников должна быть ориентирована особым образом — иметь как можно меньший угол между плоскостью орбиты и нашим лучом зрения.
Известный факт, что согласно Общей теории относительности, массивные тела искривляют вокруг себя пространство и время. Это дает возможность обнаружить экзопланеты, вращающиеся вокруг звезд. Свет, который идет от далекого светила к нам, проходя возле экзопланеты, начинает двигаться по искривленной траектории. То есть планета выступает в качестве линзы, концентрируя свет удаленных фоновых объектов. Такой метод называется методом гравитационного микролинзирования.
Он наиболее плодотворен для планет, расположенных между Землей и центром Млечного Пути, поскольку галактический центр обеспечивает большое количество фоновых звезд. Наблюдения обычно проводят с помощью сетей роботизированных телескопов (например, OGLE и MOA).
Самый старый среди методов — астрометрический. С его помощью можно выявить влияние гравитационного поля экзопланеты на звезду, характеризующееся изменением траектории ее движения по небу. Пока известны только три официально подтвержденные экзопланеты, открытые с помощью этого метода. Одна из них — HD 176051 b в созвездии Лиры. Но в недалеком будущем такие космические миссии, как Gaia и Nano-JASMINE, позволят пополнить ряды этого скромного театра одного актера.
Также экзопланеты можно обнаружить, используя метод радиальных скоростей. Его еще называют методом Доплера и даже доплеровской спектроскопией. Существование экзопланет доказывается благодаря анализу изменений в спектре той или иной звезды. Если вокруг нее вращается достаточно массивный объект, он немного «раскачивает» центральное светило своей гравитацией. Это «покачивание» мы наблюдаем в виде периодического смещения спектральных линий. До 2010 года этот метод был самым успешным для «охоты» на внесолнечные планеты. Однако после запуска космического аппарата Kepler главным инструментом для их обнаружения стал транзитный фотометрический метод, а доплеровская спектроскопия переместилась на второе место.
Среди космических аппаратов, которые приняли участие в открытии внесолнечных планет, стоит упомянуть Kepler, Hubble, Spitzer и TESS. Наземные телескопы использовали очень много, поэтому перечислять их не будем.
Количество экзопланет, открытых с помощью различных методов по состоянию на 15 июля 2024 года:
- метод радиальных скоростей (1092);
- метод транзитов (4224);
- метод прямых изображений (82);
- метод гравитационного микролинзирования (223);
- астрометрический метод (3).
Зона, пригодная для жизни
Пожалуй, очевидно, что нас, людей, интересует, есть ли жизнь на этих космических телах. Пока никаких ее признаков не обнаружили. Однако существует орбитальный участок вокруг звезды, который называется зоной, пригодной для жизни (зоной обитаемости), или «зоной Златовласки». Если в ней будет находиться экзопланета, то на ее поверхности возможно существование воды в жидком состоянии. Этот признак сегодня считается необходимым условием для возникновения жизни.
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 гораздо меньше, чем у планет-гигантов, такой объект называют «сверхземлей», или «супер-Землей».
Итак, в зоне, пригодной для жизни, на поверхности планеты ни слишком холодно, ни слишком 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 располагается недалеко от ее поверхности. Но если это горячий голубой сверхгигант — эта зона будет очень удаленной от раскаленного светила.
Также следует заметить, что для возникновения жизни необходим ряд других условий, кроме расстояния от звезды. В частности это химический состав планет, магнитные поля, уровень радиации и тому подобное.
Особую огласку получило открытие семи экзопланет, которые вращаются вокруг ультрахолодного красного карлика TRAPPIST-1. По словам ученых, по меньшей мере три из них расположены в пригодной для жизни области пространства.
Все известные экзопланеты — в нашей галактике Млечный Путь. Это и неудивительно, ведь, как говорилось выше, обнаруживать их крайне сложно из-за крошечных угловых размеров. Самая отдаленная экзопланета, открытая на сегодня, расположена возле центра Галактики, то есть на расстоянии около двадцати пяти тысяч световых лет.
Большинство известных экзопланет открыты с помощью космического телескопа Kepler транзитным методом. Его поле зрения в форме конуса показано оранжевым цветом. Наземные телескопы, использующие транзитные и другие методы «охоты» на планеты, обнаружили много объектов этого класса в окрестностях Солнца, показанных оранжевым кругом. Самые отдаленные экзопланеты найдены методом микролинзирования.
Но существуют ли экзопланеты в других галактиках? Логично предположить, что да. Принцип Бруно — Коперника утверждает, что наша планета не занимает привилегированной позиции во Вселенной. Поэтому, вероятнее всего, в других звездных системах также существует много разнообразных экзопланет. Это подтверждают недавние наблюдения астрономов Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики, которые, используя данные телескопа 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».
Экзопланетология — довольно молодая область астрономии, но в ней уже сделано столько открытий! И даже трудно представить, сколько интересного она расскажет нам в будущем.
Автор: аспирант, учитель Приц Василий.
Эта статья была опубликована в №6 (187) 2021 года журнала Universe Space Tech. Купить этот номер в электронной или бумажной версии можно в нашем магазине.
