Экзопланеты

Идея о том, что вокруг других звезд также обращаются планеты, довольно стара. Но лишь в несколько последних десятилетий поиск экзопланет стал заметной частью галактической астрономии. 

Зоны обитаемости (зеленый) вокруг звезд различных типов.

Содержание

1. Поиск экзопланет
2. Миссия «Кеплер»
3. Наследие «Кеплера»
4. Планеты зоны Златовласки и зоны непрерывного обитания
5. Разновидности экзопланет
6. Жизнь в экстремальных условиях

Кликните по картинке, она откроется в новом окне и ее можно будет увеличить

Две планетные системы

Зона обитаемости нашей Солнечной системы (внизу) в сравнении с зоной обитаемости вновь открытой системы Кеплер-22 (вверху), в которой есть планета, сравнимая с Землей (названная Кеплер-22). Это первая планета в зоне обитаемости (зоне жизни) звезды типа Солнца.

Поскольку звезда Кеплер-22 меньше Солнца, ее зона обитаемости уже и расположена ближе. Несмотря на то, что планета Кеплер-22b обращается внутри зоны, одно только положение орбиты не может гарантировать существование на планете жизни, что доказывает Марс в нашей собственной планетной системе.

Поиск экзопланет

• Год открытия первой экзопланеты: 1992 год
• Название первой открытой экзопланеты: PSR 1257+12B
• Число обнаруженных экзопланет: 4173 (и это не конец)

Причина того, что долгое время экзопланеты практически не исследовались, заключается в том, что планеты светят отраженным светом, и поэтому они не такие яркие, как звезды. Кроме того, они расположены близко к звездам, а потому исходящий от них свет теряется в излучении материнских звезд. Один астроном сравнил поиск экзопланет с поиском праздничной свечи, находящейся в Бостоне, при помощи телескопа, расположенного в Вашингтоне! Так что открытию экзопланет предшествовала разработка новых наблюдательных техник.

Успешным, зарекомендовал себя метод обнаружения экзопланет, известный как спектрометрическое измерение лучевой, или радиальной, скорости звезд. Чтобы понять, как это работает, представьте, что вы наблюдатель, находящийся за много световых лет от Солнечной системы. Мы привыкли думать, что Солнце неподвижно, в то время как планеты движутся вокруг него по своим орбитам. Но в действительности Солнце тоже перемещается, реагируя на гравитационное притяжение со стороны планет. Например, если бы Юпитер во время ваших наблюдений находился между вами и Солнцем, то Солнце бы немного сместилось в вашем направлении. С другой стороны, если бы Юпитер был позади светила, Солнце немного удалилось бы от вас. Таким образом, за 10 лет наблюдений вы бы увидели, что звезда то удаляется от вас, то приближается к вам снова. Это движение может быть обнаружено по доплеровскому сдвигу в излучении, испускаемом звездой, оно голубеет, когда источник света приближается к вам, и краснеет, когда он от вас удаляется. Так что хотя вы и не можете видеть Юпитер непосредственно, вы можете догадаться о его существовании по его влиянию на Солнце.

Экзопланета с кольцами и спутником в представлении художника.

Довольно странно, что первая обнаруженная экзопланета тот редкий экземпляр, что обращается вокруг пульсара в созвездии Дева. Вероятно, она сформировалась уже после того, как ее материнская звезда взорвалась как сверхновая. Довольно быстро, в 1995 году, последовало еще одно открытие планеты, обращающейся вокруг звезды в созвездии Пегас. Это стало началом целой эры подобных находок. Сначала открытия делались неспешно, по нескольку в год, но с развитием технологий темп ускорился. Нам известно уже более 4000 кандидатов в экзопланеты вокруг других звезд, и некоторые астрономы предсказывают, что их число приблизится к десяткам тысяч, когда данные, собранные зондом «Кеплер», будут проанализированы.

Как находят планеты

Существует два способа найти планету:

1. Посмотреть на звезду, колеблющуюся под действием гравитации планеты.

2. Посмотреть на звезду, яркость которой падает, когда проходящая перед ней планета затмевает ее.

Миссия «Кеплер»

Орбитальный телескоп «Кеплер» весит чуть больше тонны. Его оборудование позволяет проводить непрерывный мониторинг яркости более 150 000 звезд в ближайших окрестностях Галактики. Так как у околоземного спутника на низкой орбите до половины неба может быть закрыто земным диском, а также в силу того, что «Кеплеру» предстояло наблюдать небо постоянно, спутник был выведен не на околоземную, а на околосолнечную орбиту. Его вполне можно сравнить с сопровождающей Землю миниатюрной планетой.

Базовые технологии, используемые «Кеплером» для обнаружения экзопланет, близки к описанным, но чтобы они работали, потребовалась сложная аппаратура. Главное то, что когда планета затмевает звезду, ее яркость падает, а после прохождения планеты возрастает до исходного значения.

Разумеется, этот так называемый транзитный метод работает только тогда, когда орбита планеты лежит на векторе зрения наблюдателя. (Например, если некто наблюдает нашу Солнечную систему, он сможет обнаружить Юпитер транзитным методом, только если будет находиться в плоскости орбит нашей планетной системы, а не выше или ниже ее.) Это означает, что только часть планетных систем может быть обнаружена транзитным методом.

С другой стороны, разработчики «Кеплера» заявили, что транзитный метод имеет важное преимущество перед методом лучевых скоростей, ведь с его помощью можно обнаружить планету любого размера, находящуюся на любом расстоянии от своей звезды. Чтобы смещать звезду своей гравитацией так, чтобы это было обнаружимо в контексте эффекта Доплера, планета должна быть достаточно массивной. То есть метод лучевых скоростей лучше работает в отношении больших экзопланет, обращающихся вокруг своих звезд на достаточно близких к ним расстояниях, так называемых горячих юпитерах. На самом деле все экзопланеты, обнаруженные до «Кеплера», были открыты с помощью этого метода. Транзитный же метод позволяет обнаружить любую планету, которая оказывает влияние на яркость своей звезды.

Космическая обсерватория НАСА «Кеплер», запущенная в 2009 году, которая обнаружила более 1000 кандидатов в экзопланеты. Открытия этой обсерватории меняют наше представление о том, как планетные системы могут быть организованы.

Наследие «Кеплера»

Два поразительных факта, ставшие следствием поиска экзопланет, особенно работы телескопа «Кеплер»:

• В нашей Галактике планет больше, чем звезд;
• Куда больше существует планет, не являющихся спутниками светил, чем находящихся на звездных орбитах.

Давайте в деталях рассмотрим эти пункты по порядку.

20 лет назад астрономы спорили, существуют ли планетные системы, кроме нашей. Сегодня мы знаем, что планетные системы могут иметь разнообразные конфигурации и что только малая часть из них похожа на Солнечную систему.

Один пример иллюстрирует этот факт. До запуска спутника «Кеплер» единственным способом открыть экзопланету был метод лучевых скоростей, описанный выше. И мир обнаруженных на тот момент экзопланет состоял из горячих юпитеров гигантских планет, расположенных по отношению к своим звездам ближе, чем Меркурий к Солнцу.

Восход материнской звезды на землеподобной экзопланете в представлении художника. Эта планета вращается вокруг двойной звезды: вторая звезда это белая точка справа сверху от поднимающегося над горизонтом светила.

Если вы вспомните теории образования Солнечной системы, то поймете, почему существование горячих юпитеров сбивало с толку. Планеты, вращающиеся недалеко от своих звезд, должны были быть небольшими и каменистыми, потому как газовые гиганты типа Юпитера формируются намного дальше. Так где на самом деле теории дают сбой?

Как оказалось, беспокоиться не о чем. Обсерватория «Кеплер» быстро установила, что горячие юпитеры представляют собой лишь малую часть планет и скорее всего являются системами, в которых гигантские планеты сформировались на куда более далеких от звезд расстояниях, а позже приблизились к своим звездам. Урок, который можно извлечь из ситуации с горячими юпитерами, в том, что мы можем найти в Галактике всевозможные виды планетных систем, большая часть которых сильно отличается от нашей.

Планеты зоны Златовласки и зоны непрерывного обитания

Если жизнь зародилась на дне земных океанов, то логично бы было предположить, что больше шансов найти жизнь на тех планетах, на которых в течение длительного времени существуют поверхностные океаны. Эта идея привела ученых к мысли о зоне непрерывного обитания, которая охватывает область вокруг звезды, где температуры планет могут оставаться в интервале между точками кипения и замерзания воды на протяжении миллиардов лет. В нашей планетной системе, например, только Земля находится в такой зоне.

Землеподобные планеты, находящиеся в схожих зонах их звезд, часто называют планетами зоны Златовласки, потому что они, как овсяная каша из известной детской сказки, «не слишком горячи и не слишком холодны, а в сааамый раз». Таких планет обнаружено множество. Первой была Кеплер 186f (название говорит о том, что это пятая планета, обнаруженная на орбите 186-й звезды в каталоге экзопланет, открытых обсерваторией «Кеплер»). Эти планеты, скорее всего, в первую очередь исследуют с помощью современных систем, о которых ниже.

Разновидности экзопланет

Чтобы дать некоторое представление о множестве экзопланет, опишем некоторые из их разновидностей:

• Планета, которая обращается так близко к звезде, что может рассматриваться как планета внутри звезды.
• Такая горячая планета, что камни на стороне, обращенной к звезде, испаряются. При вращении планеты это вещество кристаллизуется, и «снежки» из затвердевшей скальной породы выпадают на ее поверхность.
• Планеты, покрытые океанами в сотни километров глубиной.
• Но наиболее поразительным открытием стала так называемая планета-сирота (также планета-бродяга, планемо, планета-странник) - планета, блуждающая в космической темноте вдали от какой-либо звезды. Вспомним теории формирования Солнечной системы: на ранних этапах эволюции много объектов, размеры которых сопоставимы с планетарными, были выброшены в открытый космос. Эти тела никуда не исчезли, а образовали целый класс планет-сирот. В какой-то момент даже утверждали, что если они сохранят свои внутренние источники тепла, то смогут поддерживать жизнь. Некоторые авторы сравнивали их с домом, огни в котором погашены, но очаг продолжает гореть.

Не связанная со звездой планета-странник, блуждающая в космическом пространстве, в представлении художника.

Новые и захватывающие открытия, касающиеся экзопланет, были сделаны достаточно быстро. Два открытия привлекли внимание публики в последние годы:

1. Обнаружение планеты, размеры которой сравнимы с размерами Земли, в зоне обитаемости ближайшей к Солнцу звезды - Проксима Центавра B. Эта звезда находится от нас на расстоянии всего 4 св. года, что делает открытую экзопланету первой в списке кандидатов на посещение космическими кораблями. Но даже если человечеству удастся построить космический аппарат, способный передвигаться со скоростью 10% от скорости света, путешествие к этой экзопланете все равно продлится 80 лет.
2. В 2017 году ученые из НАСА и ЕКА объявили об обнаружении семи землеподобных планет на орбите небольшой звезды, названной TRAPPIST-1, удаленной от нас примерно на 40 св. лет. Три из этих планет находятся в зоне обитаемости звезды, а другие слишком близко к ней, чтобы в нормальных атмосферных условиях иметь жидкую воду на своих поверхностях. В любом случае система TRAPPIST-1 находится под пристальным вниманием ученых, занимающихся поиском жизни на внесолнечных планетах.

Звезда TRAPPIST-1, находящаяся от нас на расстоянии порядка 40 св. лет, имеющая систему не менее чем из 7 планет, 3 из которых расположены в зоне обитаемости. Планетная система показана здесь в сравнении с Солнечной системой.

Юмористический плакат, приглашающий в путешествие к экзопланете к системе звезды TRAPPIST-1.

Жизнь в экстремальных условиях

Никакая дискуссия об экзопланетах или жизни где-либо во Вселенной не будет полной, если оставить без внимания странную жизнь прямо здесь, на планете Земля. За последние 50 лет ученые обнаруживали ее в неожиданных местах. Эти вновь открытые формы жизни называются экстремофилами (от лат. extremus «крайний» и греч. philia «любовь», то есть «любящие крайности»).

Первые экстремофилы были обнаружены в 1960-х годах в горячих источниках Йеллоустоунского национального парка. Температура воды, равная температуре кипения или близкая к ней, убила бы любую обычную бактерию, но экстремофилы процветали. Именно они ответственны за эффектную расцветку этих водоемов. С тех пор жизнь была обнаружена в десятках малопривлекательных мест: в средах с повышенной соленостью и кислотностью, в глубоководных желобах с невообразимым давлением и температурами. И это лишь некоторые из примеров. Эксперименты, проведенные в Японии, показали, что некоторые микробы могут процветать в центрифугах, где гравитация в 400 раз превышает земную!

Черный курильщик возле гидротермальных источников.

Эти открытия весьма повлияли на науку. Некоторые биологи, например, предположили, что жизнь на Земле началась с экстремофилов в глубоководных траншеях и только потом вышла на сушу. Астробиологи, размышляющие над жизнью на других планетах, получили сигнал о том, что не стоит загонять себя в строгие рамки и в аналогические рамки загонять потенциальную жизнь. И, разумеется, всегда остается вероятность, что немало сюрпризов еще поджидает нас на Земле. Как сказал британский ученый и популяризатор науки Пол Дэвис: «Жизнь может быть у нас под носом... или у нас в носу».