На прошлой неделе было опубликовано первое изображение экзопланеты, расположенной за пределами Солнечной системы, сделанное мощным космическим телескопом. Рассказываем, как планетологи ищут новые миры и какими они бывают.
1 сентября 2022 года НАСА, Европейское и Канадское космические агентства представили первый снимок далекого газового гиганта, расположенного в 4,5 млрд световых лет от Земли. Экзопланета HIP 65426 b на изображении «Джеймса Уэбба» примерно в 6–8 раз тяжелее Юпитера. По меркам планет она еще очень юная: ей от 15 до 20 млн лет.
Наблюдение за HIP 65426 b — один из редких случаев, когда экзопланету можно наблюдать напрямую. Поскольку HIP 65426 b находится примерно в 100 раз дальше от своей родительской звезды, чем Земля от Солнца, телескоп может разделить их свет на изображении.
Обычно ученым не так везет, и им нужно придумывать альтернативные способы, чтобы найти далекие объекты, у которых в отличие от звезд нет собственного яркого излучения, а только отраженное свечение других объектов.
Что такое экзопланета?
Экзопланетами называют любые планеты, расположенные за пределами Солнечной системы. Всего, по данным НАСА, на 23 февраля 2024 года достоверно подтверждено существование 5 587 экзопланет в 4 155 звездных системах. Кроме того, известно еще о 10 103 планетах-кандидатах. Это означает, что ряд признаков свидетельствуют, что вокруг звезды вращается крупный объект, но достоверное подтверждение еще не было получено.
Планеты за пределами нашей Солнечной системы бывают самых разных размеров: от газовых гигантов больше Юпитера до маленьких каменистых планет размером с Землю или Марс. Они могут быть достаточно горячими, чтобы вскипятить металл, или запертыми в глубокой заморозке. Так плотно вращаться вокруг своих звезд, что «год» длится всего несколько дней, а могут блуждать вокруг двух солнц одновременно. А некоторые экзопланеты — бездомные скитальцы, оторванные от своей звезды, они движутся во тьме галактики.
Во всем этом многообразии ученые выделяют четыре основных типа: газовые гиганты, нептуны, суперземли и планеты земного типа. Каждый тип различается по внутреннему и внешнему виду в зависимости от состава.
Газовые гиганты — это планеты размером с Сатурн или Юпитер, самые большие планеты в нашей Солнечной системе, или даже еще больше. В этих широких категориях тоже скрывается большое разнообразия. Например, горячие юпитеры были одними из первых обнаруженных типов планет. Это газовые гиганты, вращающиеся так близко к своим звездам, что их температура достигает нескольких тысяч градусов. Юпитер солнечной системы пока гораздо холоднее, но его ждет такое же будущее, когда Солнце перед смертью начнет активно расширяться.
Планеты второй группы по размеру похожи на Нептун или Уран. У них может быть разный внутренний состав, но все они будут иметь внешнюю атмосферу с преобладанием водорода и гелия и скалистые ядра.
Суперземли — это планеты меньше Нептуна, но больше Земли, аналогов которых нет в Солнечной системе. Как правило, это твердые планеты, которые могут быть (но не всегда) окружены атмосферой.
Наконец, к последней группе относят планеты размером с Землю и меньше. В Солнечной системе к таким можно отнести Марс, Венеру и Меркурий. Они состоят из горных пород, силикатов, воды или углерода. И так же, как суперземли, в ряде случаев могут быть окружены газовой атмосферой.
Как ищут экзопланеты?
Веками ученые, философы и писатели-фантасты подозревали существование планет вне Солнечной системы, но не было никакого способа узнать, существуют ли они на самом деле. Первое подтверждение обнаружения экзопланеты появилось только в 1992 году. Тогда около пульсара PSR B1257+12 было найдено несколько планет. А спустя три года ученым удалось найти первый горячий юпитер, вращающийся у «живой» звезды 51 Пегаса.
За последующие годы была исследована лишь небольшая часть Млечного Пути, но уже удалось подтвердить существование тысяч экзопланет. А статистическая оценка, основанная на данных космического телескопа НАСА «Кеплер», показала, что в нашей галактике больше планет, чем звезд. Это означает, что только в Млечном Пути насчитывается более триллиона планет, многие из которых размером с Землю. Некоторые экзопланеты были открыты непосредственно с помощью телескопов, но подавляющее большинство было обнаружено косвенными методам
Метод Доплера
Именно этим способом была открыта первая экзопланета у звезды 51 Пегаса. Она так сильно тянула свою родительскую звезду, когда мчалась по четырехдневной орбите, что колебание звезды было очевидно для земных телескопов.
Планетарную систему упрощенно представляют как множество планет, вращающихся вокруг звезды. На самом деле гравитация планет также воздействует на звезду. Если объект достаточно массивный, он сможет вызвать колебания звезды вокруг общего центра масс, заметные внешнему наблюдателю.
Этот метод измеряет изменения «лучевой скорости» звезды. Длины волн звездного света попеременно сжимаются и растягиваются по мере того, как звезда приближается к нам, а затем удаляется от нас. Эти смещения вызваны гравитационными притяжениями от вращающихся вокруг планет.
К сожалению, этот метод позволяет находить планеты с массой не меньше нескольких масс Земли, расположенные в непосредственной близости от звезды, или огромные газовые гиганты, период вращения которых вокруг их солнца не превышает 10 земных лет. Это самый первый и один из самых популярных способов поиска экзопланет. На сегодняшний день с его помощью нашли 1085 экзопланет.
Транзит
Телескоп «Кеплер», работавший с 2009 до 2018 года. Открыл новую эру поиска экзопланет. Он использовал другой метод. Первые четыре года он постоянно смотрел за небольшим участком неба. В этом маленьком пятне было 150 000 звезд. «Кеплер» ждал, чтобы поймать крошечные провалы в количестве света, исходящего от отдельных звезд, вызванные планетами, пересекающими их перед собой.
Этот эффект напоминает солнечное затмение. Далекая планета проходит между своей звездой и наблюдателем. И на короткий промежуток времени свет от звезды становится менее ярким. Если такие явления происходят постоянно с заданной периодичностью, значит вокруг звезды вращается планета. Более подробные данные можно получить с помощью транзитной спектроскопии: анализа изменения спектра света при прохождении через атмосферу планеты.
После «Кеплера» подобными исследованиями занимаются спутник НАСА TESS и миссия Gaia Европейского космического агентства. Большинство из подтвержденных экзопланет — 4 156 — открыли именно этим способом.
Гравитационное микролинзирование
Еще один метод поиска использует эффект, впервые описанный Эйнштейном: способность гравитации искажать и искривлять звездный свет. Мощное поле звезды, расположенной на переднем плане, будет усиливать свет от звезды на заднем плане, которая проходит сразу за ней. Если вокруг ближней звезды вращается планета, то при прохождении за ней другой звезды телескоп фиксирует два пика всплеска интенсивности света. Первый будет исходить от звезды, а второй, меньший — от планеты.
Этот способ сейчас используют некоторые наземные обсерватории, его преимущество в том, что можно изучать более далекие системы. Хотя пока с помощью гравитационного микролинзирования открыто только 210 экзопланет, исследователи считают, что у него большие перспективы.
НАСА планирует отправить в космос специальный телескоп Nancy Grace Roman, который будет искать эффекты гравитационного микролинзирования вдали от земной атмосферы, искажающей слабый свет.
Прямое наблюдение
Одного пикселя света, полученного непосредственно от экзопланет, будет недостаточно, чтобы выявить особенности поверхности. Но он предоставит другую важную информацию: профиль атмосферы экзопланеты и, возможно, доказательства наличия газов, предполагающие наличие жизни.
До сих пор «прямые изображения» экзопланет остаются скорее редкостью, чем работающим методом. Всего таким способом открыто 68 экзопланет. В основном это молодые планеты-гиганты. Они еще настолько горячие после формирования, что продолжают излучать собственный свет.
Развитие мощности телескопов и новых технологий дают прямым наблюдениям второй шанс. Например, исследователи предлагают использовать коронограф. Это технология, которая при помощи специальных масок, фильтров и детекторов подавляет свечение звезды короны, чтобы она не подавляла более слабое свечение планет.
Коронограф включает в себя самоизгибающиеся зеркала с тысячами крошечных поршневых приводов, которые изгибаются в режиме реального времени, когда телескоп улавливает свет, прошедший десятки световых лет от экзопланеты. Эти «деформируемые зеркала» компенсируют небольшие недостатки в оптике телескопа, чтобы подавить звездный свет и сделать изображение планеты более четким.
Уже более 30 лет ученые исследуют экзопланеты, нашли тысячи миров, но так и не нашли ни одного достоверного признака существования обитаемых планет. Может показаться, что это значит, что мы уникальны. Но на самом деле исследователи стоят только у самого начала. Большинство из обнаруженных планет на сегодня — это горячие газовые гиганты, мало приспособленные для жизни. Но это не весь космос, а особенности наших технологий.
Если расчеты верны, мы пока не знаем даже тысячной доли процента от всех экзопланет Млечного Пути. Развитие новых технологий, повышение качества телескопов говорит, что впереди ученых ждет еще множество удивительных открытий.
Читать далее:
Установка на Марсе производит кислород со скоростью среднего дерева
Физики охладили атомы до рекордной температуры. Они в миллиарды раз холоднее космоса
Маленький динозавр «превратился» в драгоценный камень. Ему почти 100 млн лет
Данные обновлены 24.02.2024