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. Усього 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 наближається до п’яти тисяч. Щодо багатьох із них відомі фізичні характеристики та навіть властивості атмосфер. Як же вдалося досягти такого прогресу?
Слово «планета» у перекладі з грецької означає «та, що блукає небом». Таку назву дали давньогрецькі спостерігачі за зорями деяким яскравим небесним світилам, які змінювали своє положення відносно «зоряного фону» — сузір’їв. Тільки опісля 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. Ця екзопланета є однією з трьох позасонячних планет, які обертаються навколо пульсара PSR B1 257+12. А вже 1995 року астрономи Мішель Майор і Дідьє Кело відкрили екзопланету 51 Пегаса b, яка 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 15 липня 2024 року загалом підтверджених екзопланет налічувалося 5690, кандидатів, що потребують перевірки — 7606, а планетних систем — 4238.
Як і у планет Сонячної системи, в екзопланет багато фізичних властивостей — таких як маса, радіус, об’єм, густина, альбедо, температура поверхні, орбітальний період, ексцентриситет та нахил орбіти. За масою вони варіюються в межах від кількох мас Місяця до понад двадцяти п’яти — 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 в сто разів менша за Землю! А ось найбільшою позасонячною планетою вважається HD 100546 b, радіус якої сягає майже чотирьох радіусів 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 усіма улюблений Плутон був виключений з числа великих планет Сонячної системи. Однак це визначення не поширюється на екзопланети. Тому слід зауважити, що багато із 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, відносити коричневі та субкоричневі карлики до планет або до зірок, а також — чи вважати процес формування екзопланет класифікаційною ознакою, оскільки шлях формування субкоричневих карликів, наприклад, аналогічний до механізму формування «звичайних» зір.
Найгарячішою з відомих позасонячних планет вважається KELT-9b, яка 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.
Обертальний період екзопланет коливається від кількох годин (для тих, які найближче 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 усіх відомих на сьогодні екзопланет SWIFT J1756.9-2508 b обертається навколо своєї зорі 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 таки 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 досить 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 дуже малі. Для розуміння: розгледіти екзопланету в телескоп — це приблизно так само, як подивитися з Землі на 50 копійок, що лежать на поверхні Плутона.
Утім, астрономи примудряються це робити! Однак як їм це вдається?
Вчені-екзопланетологи придумали цікаві методи для виявлення позасонячних планет. До основних методів належать: прямий метод, транзитна фотометрія, метод гравітаційного мікролінзування, метод радіальних швидкостей і астрометричний метод.
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 із зорями, тому останні їх «засвічують». Але якщо використати коронограф (прилад, що закриває диск зорі, аби зібрати випромінювання навколо неї), можна виявити слабкий об’єкт неподалік світила. Чому неподалік? Якщо планета розташована досить далеко від зорі, вона 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.
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. 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 площина орбіти таких супутників повинна бути орієнтована особливим чином — мати якомога менший кут між площиною орбіти та нашим променем зору.
Відомий факт, що згідно з Загальною теорією відносності, масивні тіла викривлюють навколо себе простір і час. Це дає можливість виявити екзопланети, що обертаються навколо зір. Світло, яке йде від далекого світила до нас, проходячи біля екзопланети, починає рухатися за викривленою траєкторією. Тобто планета виступає в якості лінзи, концентруючи світло віддалених фонових об’єктів. Такий метод називається методом гравітаційного мікролінзування.
Він найбільш плідний для планет, розташованих між Землею і центром Чумацького Шляху, оскільки галактичний центр забезпечує велику кількість фонових зір. Спостереження зазвичай проводять за допомогою мереж роботизованих телескопів (наприклад, OGLE та MOA).
Найстаріший серед методів — астрометричний. За його допомогою можна виявити вплив гравітаційного поля екзопланети на зорю, що характеризується зміною траєкторії її руху небом. Наразі відомі лише три офіційно підтверджені екзопланети, відкриті за допомогою цього методу. Одна з них — HD 176051 b в сузір’ї Ліри. Але у недалекому майбутньому такі космічні місії, як Gaia та Nano-JASMINE, дадуть змогу поповнити лави цього скромного театру одного актора.
Також екзопланети можна виявити, використовуючи метод радіальних швидкостей. Його ще називають методом Доплера та навіть доплерівською спектроскопією. Існування екзопланет доводиться 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 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 перемістилася на друге місце.
Серед космічних апаратів, які взяли участь у відкритті позасонячних планет, варто згадати Kepler, Hubble, Spitzer і TESS. Наземних телескопів використали дуже багато, тож перераховувати їх не будемо.
Кількість екзопланет, відкритих за допомогою різних методів станом на 15 липня 2024 року:
- метод радіальних швидкостей (1092);
- метод транзитів (4224);
- метод прямих зображень (82);
- метод гравітаційного мікролінзування (223);
- астрометричний метод (3).
Зона, придатна для життя
Мабуть, очевидно, що нас, людей, цікавить, чи є життя на цих космічних тілах. Наразі жодних його ознак не виявили. Однак існує орбітальна ділянка 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.
Якщо екзопланета у 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 розташовується недалеко від її поверхні. Та якщо це гарячий блакитний надгігант — ця зона буде дуже віддаленою від розпеченого світила.
Також слід зауважити, що для виникнення життя необхідна низка інших умов, окрім відстані від зорі. Зокрема це хімічний склад планет, магнітні поля, рівень радіації тощо.
Особливого розголосу отримало відкриття семи екзопланет, які обертаються навколо ультрахолодного червоного карлика TRAPPIST-1. За словами науковців, щонайменше три із них розташовані у придатній для життя області простору.
Усі відомі екзопланети — у 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 двадцяти п’яти тисяч світлових років.
Більшість відомих екзопланет відкриті за допомогою космічного телескопа Kepler транзитним методом. Його поле зору у формі конуса показане помаранчевим кольором. Наземні телескопи, що використовують транзитні та інші методи «полювання» на планети, виявили багато об’єктів цього класу в околицях Сонця, показаних помаранчевим колом. Найвіддаленіші екзопланети знайдені методом мікролінзування.
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).
Екзопланетологія — досить молода галузь астрономії, але в ній уже зроблено стільки відкриттів! І навіть важко уявити, скільки цікавого вона розповість нам у майбутньому.
Автор: аспірант, вчитель Пріц Василь.
Ця стаття була опублікована у №6(187) 2021 року журналу Universe Space Tech. Придбати цей номер в електронній чи паперовій версії можна у нашому магазині.
