Наша солнечная система является лишь крошечным проблеском в постоянно расширяющейся Вселенной. Существуют буквально бесчисленные миры в звездных системах, помимо наших собственных, известных как экзопланеты. Число известных экзопланет растет с каждым днем благодаря наблюдениям.
Многие из этих новых планет очень отличаются от тех, которые вращаются вокруг нашего Солнца, и даже архитектура экзопланетных систем мало похожа на нашу. Прошло время, и огромное количество информации было найдено в некоторых из этих далеких миров. Что еще более примечательно, так это то, насколько быстро область экзопланетных исследований выросла за относительно короткий период времени.
Экзопланеты — что это такое?
Экзопланета — это планета за пределами нашей Солнечной системы. Экзопланета вращается вокруг своей звезды — аналогу нашего Солнца. Вместе со звездой одна или несколько экзопланет составляют Солнечную систему, подобную нашей. Расстояние от ближайшей планеты до принимающей звезды может быть больше или меньше, чем у Меркурия, а дальние планеты могут располагаться дальше Сатурна и Плутона и быть больше Юпитера — так или иначе, экзопланета, одна или несколько образуют со своей звездой Солнечную систему.
Какими бывают «другие» Солнечные системы?
- Система с одной или несколькими планетами.
- Система с двумя звездами и одной планетой.
-
Система с планетами, которые могут иметь подходящие условия для стабильности воды на их поверхности, необходимые для компонента жизни, как мы его знаем.
Как ищут экзопланеты?
В 2006 году была запущена первая космическая миссия, посвященная экзопланетным исследованиям, — миссия под названием CoRoT. В течение нескольких месяцев после запуска CoRoT обнаружил свою первую планету, горячий юпитер, вращающийся вокруг звезды, подобной Солнцу. В следующие несколько лет CoRoT поставил экзопланетные исследования из космоса на устойчивую основу с постоянным обнаружением необычных планет.
Когда в 2009 году была запущена миссия НАСА «Кеплер», число известных планет начало расти. «Кеплер» — космическая обсерватория НАСА, орбитальный телескоп со сверхчувствительным фотометром, специально предназначенный для поиска экзопланет.
Методы обнаружения экзопланет становятся все более точными.
Метод Доплера (радиальных скоростей, лучевых скоростей). Первые планеты, найденные на орбите солнцеподобных звезд, были обнаружены именно таким методом. Одиночная звезда, лишенная планетной системы, будет иметь свой центр тяжести, расположенный в центре звезды. Однако когда планета вращается вокруг звезды, центр тяжести системы «звезда-планета» смещается от центра звезды, заставляя звезду «раскачиваться» взад и вперед с точки зрения наблюдателя, как звезды и звезды. Планета вращается вокруг их общего центра масс. Тонкие изменения в радиальной (прямой видимости) скорости звезды могут, в принципе, быть измерены, чтобы показать присутствие в противном случае невидимых планет.
Метод транзита позволяет телескопам измерять сияние, чтобы подтвердить присутствие планет вокруг звезды, поскольку при каждом прохождении планеты перед звездой происходит потемнение. Циклические изменения в яркости показывают прохождение планеты между Землей и звездой.
Астрометрия — это метод, который обнаруживает движение звезды путем точных измерений ее положения на небе. Этот метод также может быть использован для идентификации планет вокруг звезды путем измерения крошечных изменений в ее положении, когда она колеблется вокруг центра масс планетной системы.
Обнаружение с помощью гравитационного микролинзирования происходит, когда гравитационное поле звезды искривляет пространство-время, которое отклоняет свет от далекой звезды позади. Этот эффект виден только в том случае, если две звезды выровнены относительно Земли. Если у звезды, которая действует как линза, есть планета, поле планеты может иметь небольшой, но заметный эффект.
Прямое обнаружение экзопланет основано на изображениях высокого разрешения и высокой контрастности с использованием адаптивной оптики.
Сколько во Вселенной экзопланет? Какие они бывают?
К концу 2019 года было найдено и подтверждено более 4 000 экзопланет. Некоторые из них массивны, как Юпитер, но находятся на орбите гораздо ближе к своей звезде, чем Меркурий к нашему Солнцу. Другие экзопланеты — скалистые или ледяные, а у многих просто нет аналогов в нашей Солнечной системе.
По большей части экзопланеты состоят из тех же самых элементов, которые составляют планеты в нашей солнечной системе, хотя с различными балансами состава, которые придают каждой экзопланете свои отличительные качества. Существует четыре первичные классификации экзопланет, включая нептуноподобные миры, миры с планетами, похожие на горячий Юпитер, миры с суперземлями и миры с планетами-аналогами Земли.
Суперземли
Суперземля — это планета с массой от 1 до 10 масс Земли. Классификация суперземли относится только к массе планеты, но ничего не говорит о ее поверхностных условиях или пригодности для жизни.
Первые суперземли, две экзопланеты с массами, в четыре раза превышающими массы Земли, были обнаружены на орбите вокруг пульсара PSR B1257+12 в 1992 году.
Первая суперземля вокруг звезды главной последовательности была открыта командой под руководством Эудженио Риверы в 2005 году. Она вращается вокруг Gliese 876 и получила обозначение Gliese 876 d (два газовых гиганта размером с Юпитер ранее были обнаружены в этой системе). Планета имеет оценочную массу 7,5 массы Земли и очень короткий орбитальный период всего около 2 дней. Из-за близости Gliese 876 d к звезде-хозяину, красному карлику, Gliese 876 d может иметь температуру поверхности 430–650 Кельвинов (156,85–376,85 °C) и может поддерживать жидкую воду.
Это был первый красный карлик, у которого была обнаружена планетная система. Вероятно, массивные планеты-гиганты вообще нетипичны для подобных звезд. С тех пор были открыты десятки суперземель, масса которых составляет всего 1,9 массы Земли.
В апреле 2007 года ученые объявили об открытии двух новых суперземель вокруг Gliese 581, на краю обитаемой зоны вокруг звезды, где жидкая вода может оказаться возможной на поверхности.
Gliese 581 c массой по меньшей мере в 5 масс Земли и расстоянием до своей звезды до 11 млн км (0,073 астрономических единиц) находится на «теплой» границе обитаемой зоны. Последующие исследования показали, что Gliese 581 c, вероятно, перенес мощнейший парниковый эффект, такой же, что и Венера.
Астрономы предположили, что суперземли могут быть более геологически активными, чем наша планета, и испытывать более энергичную тектонику из-за более тонких плит, которые находятся под большим напряжением. Те, кто занят поиском инопланетной жизни, в восторге от суперземель из-за возможности того, что они могут быть каменистыми и, возможно, обитаемыми, в отличие от газовых гигантов.
Мини-нептуны
Мини-нептун (иногда известный как газовая карликовая планета или переходная планета) — это экзопланета, от 2 до 10 масс Земли с плотностью менее 1. Планеты этого типа меньше Урана (14,5 массы Земли) и Нептуна (17,1 массы Земли).
Мини-нептун — газовый карлик, на котором жидкий океан окружен густой атмосферой водорода и гелия и небольшим скалистым ядром. Хотя недавнее открытие показало, что мини-нептуны, которых все считали газовыми планетами, могут быть суперземлями со скалистым ядром, которое окружено водой в сверхкритическом состоянии. Такое состояние вода принимает при очень высоких давлениях и температурах.
Планеты по своим размерам и массой между Землей и Нептуном не существуют в нашей Солнечной системе, но они, кажется, распространены в других частях Вселенной. Они представляют собой нечто среднее между каменистыми планетами нашей солнечной системы и ее ледяными гигантами. В итоге астрономам удалось проанализировать атмосферу одного из этих «средних» отдаленных миров, которые известны как класс «мини-нептуны». Результаты рецензирования были объявлены 2 июля 2019 года и опубликованы в журнале Nature Astronomy 1 июля 2019 года.
Мини-нептун — планета Gliese 3470 b — вращается вокруг своей звезды — красного карлика. Планета весит примерно 12,6 земных масс, что делает его гораздо более массивной, чем Земля, но менее массивной, чем Нептун в нашей солнечной системе (17 масс Земли). Если поместить Gliese 3470 b в нашу Солнечную систему, он будет прекрасно подходить между Землей и Нептуном с точки зрения размера. Считается, что на планете есть большое скалистое ядро, похороненное под глубокой, сокрушительной атмосферой водорода и гелия.
Однако ученые периодически задаются вопросом: Gliese 3470 b — мини-нептун в том виде, в каком он упоминается сейчас, или это суперземля?
Еще пример мини-нептунов — Кеплер-11f имеет массу 2,3 массы Земли и плотность 0,69, такую же, как у Сатурна, масса которого составляет 95 Земли. Эти свойства класса, эта экзопланета в категории мини-нептун или газообразных карликов, которые имеют жидкий океан, окруженный густой атмосферой водорода и гелия и небольшого скалистого ядра.
Горячие юпитеры
Горячие юпитеры — это газовые планеты-гиганты с периодом обращения менее 10 дней. Короткий период означает, что горячие юпитеры очень близки к своим звездам-хозяевам. Обычно они находятся на расстоянии обычно менее 0,1 астрономических единиц, что составляет одну десятую расстояния от Земли до Солнца. Горячие юпитеры доминировали в открытиях планет в течение, по крайней мере, одного десятилетия, потому что их легче всего найти с помощью метода радиальной скорости (допплера) и метода транзита.
Согласно современным моделям формирования планет, технически горячие юпитеры не должны существовать. Газовый гигант не может сформироваться так близко к своей звезде, потому что гравитация, радиация и интенсивный звездный ветер должны препятствовать слипанию газа вместе.
Тем не менее, они существуют; из более чем 4 000 подтвержденных экзопланет, обнаруженных на сегодняшний день, до 337 могут быть горячими юпитерами.
Одним из возможных решений является то, что горячие юпитеры образуются дальше, где строительных материалов достаточно, а затем мигрируют на свои текущие позиции. Миграция горячих юпитеров может быть вызвана разными механизмами. Есть мнение, что причиной является дисбаланс токов в протопланетном диске. Некоторые ученые считают, что орбиты горячего юпитера возбуждаются до очень высокого эксцентриситета (числовая характеристика орбиты небесного тела, которая характеризует «сжатость» орбиты).
Однако новое исследование, представленное на 233-м заседании Американского астрономического общества в Сиэтле, подтверждает идею, которая противоречит предыдущим представлениям о формировании планет, но набирает обороты в этой области.
Гигантские планеты, которые вращаются вокруг своих звезд, возможно, за несколько дней сформировались в месте, близком к их солнцам, вместо того, чтобы сформироваться в отдалении и позже мигрировать к звезде.
Работа, опубликованная 5 октября 2018 года в The Astrophysical Journal Letters, показывает, что такие гигантские планеты, называемые горячими юпитерами, могут образовываться в месте, близком к их звездам, и оставаться там на протяжении всей своей жизни, не испаряясь.
В 2017 году был обнаружен мир, похожий на Юпитер, настолько горячий, что планета испаряется своей собственной звездой. С дневной температурой более 4 315,556 °C (4 600 Кельвинов), KELT-9b — это планета, которая горячее, чем большинство звезд. Но его голубая звезда типа А, называемая KELT-9, еще горячее — фактически она, вероятно, распадает планету за счет испарения.
В 2019 году был установлен новый рекорд среди орбит горячих юпитеров. Судя по исследованию, газовый гигант под названием NGTS-10b вращается вокруг своей звезды так близко, что он совершает полный оборот за 18,4 часа. Открытие делает эту Солнечную систему невероятной лабораторией для изучения приливных взаимодействий между звездой и опасно близкой гигантской экзопланетой.
Аналоги Земли
До научного поиска и изучения внесолнечных планет эта возможность существования планет, подобных Земле, обсуждалась лишь в философии и научной фантастики. Принцип заурядности предполагает, что планеты, подобные нашей, должны быть распространены во Вселенной, в то время как гипотеза уникальной Земли предполагает, что они чрезвычайно редки. Тысячи экзопланетных звездных систем, обнаруженных до сих пор, сильно отличаются от нашей солнечной системы, пока подтверждают гипотезу уникальной Земли.
Философы отмечают, что размер вселенной таков, что где-то должна существовать почти идентичная планета. В далеком будущем люди могут использовать технологию для искусственного получения аналога Земли путем терраформирования. Теория мультивселенной предполагает, что аналог Земли может существовать в другой Вселенной или даже быть другой версией самой Земли в параллельной Вселенной.
Судя по исследованию от 4 ноября 2013 года, может существовать 40 000 000 000 планет размеров Земли, вращающихся вокруг своих звезд в зонах обитаемости в пределах Млечного пути. Ближайшая такая планета может быть на расстоянии 12 световых лет. Астрономы предоставили результаты на основе данных миссии Кеплера.
Научные находки с 1990-х годов сильно повлияли на область астробиологии, модели обитаемости планет и поиск внеземного разума (SETI).
Где искать жизнь?
Мы знаем только одну планету, на которой есть жизнь — Земля. И на нашей планете вода является важнейшим компонентом жизни, каким мы его знаем. В то время как астрономы до сих пор не уверены, есть ли жизнь на других планетах, они сужают поиск потенциально обитаемых миров, используя несколько критериев.
Поскольку наша концепция жизни — Земля, астрономы ищут планеты с характеристиками, подобными ей. Такими, например, как жидкая вода. Но небесный объект может вращаться только так близко (как Меркурий) или так далеко (как Плутон) от своей звезды, что вода прежде испарится или замерзнет на его поверхности, чем там сможет образоваться жизнь. Зона обитаемости — это диапазон расстояний с правильными температурами, чтобы вода на планете оставалась жидкой. Ученые надеются, что такие открытия в зоне обитаемости, как планеты размером с Землю Кеплер-186f, приведут нас к воде — и однажды к инопланетной жизни.
Если где и можно найти жизнь, то, скорее всего, это будут экзопланеты в зоне обитаемости.
Будущее изучение экзопланет: основные миссии и их задачи
JWST (James Webb Space Telescope)
Миссия NASA/ESA/CSA космического телескопа Джеймса Вебба в связи с запуском в 2021 году обеспечит игровые изменяющие новые возможности для наблюдения экзопланет и их атмосфер. С набором из четырех приборов, работающих на инфракрасных длинах волн, Уэбб будет использовать несколько методов для исследования этих внесолнечных тел.
Высокочувствительные спектроскопические наблюдения транзитных планет — с аналогичными характеристиками в отношении размера и массы — откроют эру сравнительной планетологии для экзопланет.
Уэбб будет характеризовать атмосферы экзопланет путем регистрации спектров поглощения, отражения и излучения на инфракрасных длинах волн для планет, охватывающих диапазон размеров от суперземель до газовых гигантов. Он будет использовать тот факт, что на этих длинах волн молекулы в атмосферах экзопланет обладают большим количеством спектральных характеристик, предоставляя наблюдателям богатый набор диагностических инструментов, многие из которых недоступны с Земли.
Уэбб также сможет напрямую визуализировать некоторые молодые и массивные экзопланеты, вращающиеся на больших расстояниях от их родительской звезды, чем большинство транзитных. Три из инструментов Уэбба обладают высококонтрастными возможностями визуализации (в двух случаях это осуществляется с помощью коронографа), чтобы свести к минимуму блики родительской звезды и упростить изображение планеты. Наблюдения с несколькими инфракрасными фильтрами предоставят много информации об этих планетах, их свойствах и механизмах их формирования.
PLATO
Миссия ESA PLATO (PLAnetary Transits and Oscillations of the Stars) должна начаться в 2026 году. PLATO предназначена для обнаружения и характеристики большого количества новых внесолнечных планетных систем путем поиска сотен тысяч ярких звезд для транзитных планет. PLATO будет обладать уникальной способностью находить и определять свойства планет земной группы, которые вращаются в обитаемой зоне вокруг звезд, похожих на наше Солнце.
Комбинируя точные измерения радиусов PLATO для большой выборки планет с соответствующими планетарными массами, определенными из наземных наблюдений, ученые смогут исследовать разнообразие существующих планет. Эти наблюдения также позволят ученым определить объемный состав большого числа малых планет, изучить, насколько они похожи на Землю, и исследовать их обитаемость.
Открывая планеты, вращающиеся вокруг ярких звезд, PLATO станет первооткрывателем для последующих миссий, ищущих сигнатуры жизни — эти типы планет являются лучшими кандидатами для последующих спектроскопических измерений для измерения структуры и состава атмосфер планет.
ARIEL
Находящийся в разработке космический телескоп, который планируется запустить в 2028 году в рамках четвертой миссии среднего класса Cosmic Vision Европейского космического агентства. Планируется, что с помощью телескопа будут исследованы не менее 1 000 экзопланет при помощи транзитного метода.
С момента запуска в 2028 году ARIEL будет предназначена для проведения высокоточных наблюдений с использованием одновременной фотометрии в видимой области спектра и спектроскопии в ближней инфракрасной области волн. Она будет наблюдать и изучать около 1 000 преимущественно горячих и горячих транзитных газовых гигантов, Нептунов и суперземель вокруг ряда звездных типов и архитектур планетных систем.
Прогнозы
С этим набором космических телескопов, которые будут запущены в течение следующего десятилетия, мы можем ожидать приближения к обнаружению «Земли 2.0», в то же время добавляя более странные и неожиданные планеты в коллекцию экзопланет. Впереди захватывающие времена.
Зачем изучать экзопланеты?
«Мы одни во Вселенной?» — это один из самых глубоких вопросов, который может задать человечество. Открытие первой экзопланеты, вращающейся вокруг такой звезды, как наше Солнце, было сделано в 1995 году, и сегодня исследование экзопланет является одной из наиболее быстро растущих областей в астрономии.
Изучение разнообразного спектра экзопланет и планетных систем, которые были обнаружены на сегодняшний день — от малых до больших, от тех, которые кажутся земными, до глубоко причудливых — не только помогает нам узнать о том, как эти конкретные системы формировались и развивались, но и предоставляет важные подсказки к пониманию того, может ли и где существовать жизнь где-либо еще во Вселенной.
Читать также
Посмотрите на 3D-карту Вселенной: ее составляли 20 лет и она уже удивила ученых
Комета NEOWISE видна в России. Где ее увидеть, куда смотреть и как сделать фото
Парад планет — 2020: где смотреть, когда произойдет и что об этом говорит наука