Экзопланеты настолько маленькие и находятся так далеко от нас, что большинство из них открыты косвенными методами. Недавно мы получили вопрос от одного из наших читателей по этому поводу.
Если нам удалось получить изображение системы PDS 70, почему мы не можем получить изображение девятой планеты, планет в системе Центавра (которые находятся на расстоянии всего 4 световых лет от нас, в отличие от PDS 70, находящейся на расстоянии 320 световых лет) и ближайших к нам черных дыр? Очевидно, что черные дыры сами по себе очень малы, однако аккреционные диски могут простираться на огромные расстояния.
Степан
Отвечаем Степану на его вопрос.
Почему открытие экзопланет — ненадежное дело
На сегодня ученые признают существование чуть более, чем 6 тыс. экзопланет, которые вращаются вокруг других звезд. Еще около 4000 случаев остаются в статусе кандидатов. Уже эта статистика наводит на мысль, что наблюдать что-то, что можно интерпретировать как признак наличия экзопланеты и твердо быть уверенным в ее существовании — две очень разные вещи.
Все дело в том, что планеты сами по себе очень маленькие и находятся далеко от нас. Те из них, которые имеют размер подобный Земле, вообще практически невозможно увидеть. Большие планеты, подобные Юпитеру и Сатурну, находятся вблизи от предела чувствительности современных инструментов, если расстояние до них не превышает нескольких десятков или сотен световых лет.
Однако и эти тела мы преимущественно не видим, потому что свет их звезды оказывается значительно ярче. Они просто теряются в нем. Поэтому ученые почти всегда используют различные косвенные методы. Чаще всего это либо транзиты, то есть прохождение планеты между нами и звездой, либо доплеровское смещение.
Последнее явление заключается в том, что когда планета вращается вокруг светила, то ее гравитация заставляет его колебаться. Когда звезда движется от нас, линии в ее спектре смещаются в красную сторону. Когда от нас — в синюю.
При этом надо понимать, что оба метода дают достаточно слабо заметные эффекты. Их могут вызвать и другие факторы, например, большие группы пятен на звезде. Поэтому уверенно сказать, что планета таки существует, можно лишь после того, как одни и те же явления зафиксируют несколько раз за регулярные промежутки времени. И желательно, чтобы это сделали разные инструменты.
Сообщение о том, что какую-то планету «закрыли», связано именно с этим. В таких случаях действительно наблюдается потускнение звезды или смещение линий в спектре. Однако дальнейшие наблюдения показывают, что они совпадают с периодом вращения самой звезды или вообще исчезают со временем. И тогда ученые делают вывод, что это была не планета, а группа пятен.
Как создаются изображения планет
И все же, изображения экзопланет существуют. Обычно это делается с помощью так называемых масок. Это достаточно простые устройства в виде специальной заслонки, которая блокирует свет, поступающий от звезды. Если это сделать, то можно увидеть планеты, которые вращаются вокруг нее.
Однако этот способ имеет целый ряд ограничений. Первое — это то, что маска для каждого отдельного телескопа и каждой отдельной звезды, которая именно на нем будет наблюдаться, должна быть изготовлена отдельно. А все потому, что она должна блокировать ее свет по максимуму, но при этом пространство вокруг светила должно оставаться видимым.
Второе — это то, что маску можно применять только к звезде, на которую точно наведен телескоп. Это делает этот метод крайне неудобным для первичного поиска планет. Ведь они легко могут в определенный момент находиться перед или за звездой. И надо ждать дни и недели, чтобы они появились. Все это время телескоп должен быть направлен именно на эту звезду и не заниматься больше ничем. А такое для большинства современных телескопов — невероятная роскошь.
Для сравнения, при применении косвенных методов можно одновременно наблюдать десятки и сотни светил. Найти таким образом планету значительно проще.
Так почему бы тогда не искать экзопланеты транзитным и доплеровским методами, а изображения их не получать прямыми наблюдениями? Так пытаются делать. Проблема лишь в том, что получить несколько надежных повторов при применении транзитного и доплеровского методов легче всего, когда период вращения планеты измеряется днями и неделями, то есть она находится к своему светилу ближе, чем Венера.
А применение масок эффективно преимущественно для расстояний от 10 до 100 а.е., то есть тогда, когда орбита экзопланеты имеет примерно такой радиус, как у Сатурна или больше. И малое расстояние до системы здесь не очень помогает. Телескопам нужен контраст планеты с фоном. А его маски на таких коротких расстояниях обеспечить не могут.
В случае Проксимы Центавра есть еще и проблема с тем, что планета вращается только в 7,3 млн км от звезды. Здесь просто изготовить маску для того, чтобы светило полностью спрятать, а его планету — трудно.
Протопланетные диски
Заря PDS 70 и другие молодые светила — это вообще особый случай. Ибо в этом случае речь идет о светилах, окруженных протопланетным диском. В нем именно идет формирование планет, и увидеть их гораздо легче, чем даже газовые гиганты на больших расстояниях.
Все дело в том, что они активно притягивают к себе пыль и газ, в результате чего вокруг них образуется облако, многократно превышающее их диаметр. Кроме того, такая планета эффективно «вычищает» вещество на своем пути.
Планеты в системах, подобных PDS 70, выглядят не как тусклые точки, а как утолщение диска, двигающиеся по щелям в ярком диске. И в таком виде получить их изображение действительно несложно.
Диски вокруг черных дыр
Что касается аккреционных дисков вокруг черных дыр, то здесь нужно различать их сверхмассивный подвид, находящийся в центрах галактик, и разбросанные между звездами объекты звездной массы. И те, и другие могут иметь аккреционные диски. Однако возникают они только тогда, когда есть устойчивый приток вещества.
В случае сверхмассивных черных дыр он есть практически всегда. Их изображениями сейчас никого не удивишь. У объектов звездной массы аккреционные диски тоже есть, и немалые. Их диаметр может достигать нескольких астрономических единиц.
Только вот возникает он лишь в тесных двойных системах. В остальных случаях веществу для его образования просто неоткуда взяться. Так что и фотографировать астрономам нечего. Что касается двойных систем, содержащих черную дыру, то их не так много, как кажется. Ближайшие из них находятся в тысячах световых лет от нас.
На таких расстояниях астрономы видят аккреционные диски, а то и питающие их струи. Однако сказать, связаны они с черной дырой, нейтронной звездой или белым карликом, крайне тяжело. Все эти объекты на таком расстоянии очень трудно различить.
Стоит отметить, что технологии получения космических изображений усовершенствуются буквально у нас на глазах. Прогресс идет, и вполне возможно, что и аккреционные диски, и экзопланеты мы скоро увидим во всей красе.
