Экзопланеты: история и методы обнаружения
Экзопланета — это планета, которая вращается вокруг звезды, которая не является нашим Солнцем.
Название «экзопланета» происходит от «внесолнечная планета».
В 1992 году была открыта первая экзопланета.
Она была обнаружена на орбите вокруг пульсара PSR 1257+12.
Прошло еще 3 года, прежде чем была обнаружена планета на орбите вокруг солнцеподобной звезды 51 Пегаса.
С 1995 года астрономы обнаружили более 5000 экзопланет!
Существуют различные способы обнаружения экзопланет.
Астрономы часто находят экзопланеты, наблюдая за изменениями в звезде, вокруг которой вращается планета.
Это происходит потому, что планеты меньше и не сияют, как звезды, поэтому их очень трудно увидеть.
Ученые разделили экзопланеты на 4 типа:
- Газовые гиганты;
- Нептунианские экзопланеты;
- Суперземли;
- Планеты земного типа.
Около 30% экзопланет являются газовыми гигантами.
Эти миры состоят в основном из газа и по размерам похожи на Юпитер или Сатурн.
Однако многие из этих газовых гигантов находятся гораздо ближе к своей звезде, чем Юпитер к Солнцу.
Это означает, что они, вероятно, намного горячее газовых гигантов в нашей Солнечной системе.
Вот почему их иногда называют «горячими Юпитерами».
Еще 35% экзопланет относятся к нептунианским.
Эти миры по размеру схожи с нашими ледяными гигантами Нептуном и Ураном.
Около 31% экзопланет являются суперземлями.
Их называют суперземлями, потому что они больше Земли, но меньше Нептуна.
В нашей Солнечной системе нет планет подобного размера.
Название относится только к их размеру, они могут быть никоим образом не похожи на Землю.
Последние 4% известных экзопланет являются планетами земного типа.
Это экзопланеты, которые по размеру похожи на Землю и состоят из камня.
Некоторые из этих скалистых миров находятся на подходящем расстоянии от своей звезды для существования жидкой воды.
Эту область пространства вокруг звезды часто называют обитаемой зоной или «зоной Златовласки«, потому что там не слишком жарко и не слишком холодно!
Но на данный момент у нас недостаточно данных, чтобы знать, есть ли в этих земных мирах океаны, атмосферы или жизнь.
Астрономы обнаружили множество звезд, вокруг которых вращается более одной планеты.
В 2017 году НАСА объявило о крупнейшей внесолнечной системе, обнаруженной на сегодняшний день.
Звезда TRAPPIST-1 имеет 7 экзопланет земного типа, некоторые из которых находятся в обитаемой зоне.
Новые телескопы, такие как космический телескоп Джеймса Уэбба, смогут изучать свет, исходящий от этих планет.
Это поможет нам понять, насколько они горячие и из чего сделаны.
История экзопланет
Первые открытия
В течение сотен лет люди задавались вопросом, существуют ли планеты за пределами нашей Солнечной системы.
Теперь эта идея стала реальностью благодаря огромным достижениям в области технологий.
Теперь мы можем искать эти экзопланеты.
Джордано Бруно (Giordano Bruno) был одним из первых людей, кто предположил, что у других звезд тоже могут быть планеты.
Это было давным-давно, в 16 веке.
С этой идеей согласился Исаак Ньютон (Isaac Newton).
Он писал: «…если неподвижные звезды являются центрами сходных систем, то все они будут построены по сходному проекту».
К концу 19-го века люди начали утверждать, что они нашли эти так называемые экзопланеты.
Одним из первых был астроном Уильям Джейкоб (William Jacob).
Он увидел аномалии на орбитах звезд в двойной системе 70 Змееносца.
Он сказал, что они могут быть с планеты, вращающейся вокруг системы.
Другие работы Томаса Си (Thomas See), казалось, подтверждали то, о чем думал Уильям.
Томас подсчитал, что каждые 36 лет вокруг звезд обращается темный объект.
Благодаря более совершенным телескопам мы теперь знаем, что это неправда.
Хотя это не помешало планетам вокруг этих звезд появляться в научно-фантастических произведениях, таких как «Звездный путь» и «Дюна»!
В течение 20-го века астрономы продолжали искать планеты вокруг других звезд.
В 1988 году они увидели изменения в движении звезды Гамма Цефея (Gamma Cephei).
Хотя считалось, что они были вызваны планетой, вращающейся вокруг звезды, это не было подтверждено до 2002 года!
Это было связано с совершенствованием технологии и повышением точности данных.
Но к 2002 году были обнаружены и другие экзопланеты.
Первая экзопланета была открыта в 1992 году.
На самом деле, первым открытием была не просто 1 планета, а 2!
Полтергейст (Poltergeist) и Фобетор (Phobetor) были обнаружены на орбите пульсара под названием PSR B1257+12.
В 1994 году в системе была обнаружена гораздо меньшая по размерам третья планета, названная Драугр (Draugr).
Эти новые миры открыли новую область астрономии, и вскоре за ними последовали другие открытия!
В 1995 году швейцарские ученые Мишель Майор (Michel Mayor) и Дидье Келоз (Didier Queloz) обнаружили первую экзопланету, вращающуюся вокруг звезды, похожей на наше Солнце.
Они использовали метод определения лучевой скорости, чтобы найти 51 Пегаса b.
Они собрали спектры ее родительской звезды, чтобы выяснить, что планета обращается вокруг своей звезды каждые 4,23 дня.
51 Пегаса b имеет массу, аналогичную массе Юпитера, но находится гораздо ближе к своей звезде.
Он более чем в 7 раз ближе к своей звезде, чем Меркурий к нашему Солнцу!
Такого рода экзопланеты часто называют «горячими Юпитерами».
Однако первые свидетельства существования экзопланеты, возможно, были обнаружены гораздо раньше.
Но ученые в то время не осознавали, что они обнаружили!
В 2016 году ученые повторно изучили фотографию белого карлика под названием Ван Маанен 2.
Данные были собраны еще в 1917 году на телескопе в США.
Они обнаружили, что на фотографии видны тяжелые элементы во внешних слоях звезды.
Они не могли быть сделаны внутри звезды, потому что они опустились бы к центру звезды.
Некоторые ученые полагают, что эти элементы образовались из пыли соседней планеты.
Охота за экзопланетами
Было осуществлено множество проектов по поиску и изучению экзопланет.
Некоторые используют наземные телескопы, в то время как другие используют космические аппараты.
В 2005 году состоялось первое прямое обнаружение планеты за пределами нашей Солнечной системы.
Это открытие было сделано с помощью космического телескопа «Спитцер».
В 2016 году малый телескоп «Транзитные планеты и планетезимали» (TRAPPIST) в Чили сделал крупное открытие.
Он обнаружил систему экзопланет, которая содержала по меньшей мере семь планет.
Три из этих планет размером с Землю.
Миссии НАСА «Кеплер» и «К2» произвели революцию в поиске экзопланет.
Используя транзитный метод, они обнаружили более 2600 новых миров.
Несмотря на то, что миссии завершились в 2018 году, исследователи все еще находят планеты в данных, собранных «Кеплером».
В 2021 году был запущен космический телескоп Джеймса Уэбба.
Это самый большой космический телескоп, когда-либо построенный.
Это откроет новые миры, невиданные ранее.
Он даже сможет рассказать нам, из чего состоят атмосферы экзопланет.
Методы обнаружения
Ученые используют несколько методов для поиска экзопланет.
Некоторые из них более эффективны, чем другие.
Астрометрия: поиск небольших изменений в положении звезды.
«Колебание» звезды вызвано присутствием планеты.
Прямое наблюдение: обнаружение слабого свечения планеты.
Все планеты отражают свет своей родительской звезды.
При использовании этого метода свет от родительской звезды планеты должен быть заблокирован.
Микролинзирование: изучение влияния гравитации планеты на свет от более далекой звезды.
Метод периодических пульсаций: радиоволны от пульсаров достигают Земли в виде регулярных импульсов.
Планета, вращающаяся вокруг пульсара, может создавать небольшие регулярные изменения во времени импульсов.
Радиальная скорость: ищем сдвиги в спектре света от звезды. Они вызваны присутствием планеты.
Транзитный метод: ищем регулярные провалы в количестве света, исходящего от звезды.
Это вызвано тем, что планета блокирует часть света звезды, поскольку ее орбита проходит между нами и звездой.
Некоторые из этих методов ориентированы на поиск определенных типов экзопланет.
Например, методы транзитной и радиальной скоростей.
Оба они лучше находят крупные планеты вблизи своих звезд, чем другие виды экзопланет.
Астрометрия
Астрометрия — это наука о точных измерениях положения объекта на ночном небе.
В отличие от мест на Земле, объекты в ночном небе, по-видимому, перемещаются с течением времени.
Это происходит потому, что Земля вращается вокруг своей оси и обращается вокруг Солнца.
Поэтому астрономы используют специальные системы координат, которые учитывают это.
Одна из наиболее распространенных небесных систем координат использует прямое восхождение (Right Ascension) и склонение (Declination).
Эти имена обычно сокращаются до RA и Dec.
Знание точного положения звезды позволяет астрономам отслеживать небольшие изменения в ее координатах.
Если кажется, что звезда «колеблется», это может быть связано с близлежащей планетой.
Но почему это происходит?
Давайте подумаем о нашей собственной Солнечной системе.
Возможно, вы знаете, что все в нашей Солнечной системе вращается вокруг Солнца. Но это не совсем так.
Все в нашей Солнечной системе вращается вокруг центра всей массы в нашей Солнечной системе.
Солнце также вращается вокруг этого центра масс, что придает ему очень небольшое колебание.
Однако, поскольку подавляющее большинство массы нашей Солнечной системы находится на нашем Солнце, эффект довольно мал.
Мы можем использовать эти знания при поиске экзопланет.
Величина, с которой звезда колеблется, связана с массой, количеством и близостью ее планет.
Более высокое отношение массы планеты к массе звезды приводит к более заметному колебанию.
Это происходит потому, что по мере увеличения этого соотношения центр масс смещается от центра звезды.
Планета с более длинной орбитой также приводит к большему смещению центра масс.
Конечно, можно увидеть, как многие звезды движутся на неподвижном фоне звезд и галактик.
Если мы видим повторяющиеся изменения положения звезды с течением времени, то мы можем сказать, что эффект обусловлен экзопланетой.
Астрометрия — хороший метод поиска экзопланет, которые (с нашей точки зрения на Земле) не пересекаются перед своей звездой.
Он также может быть использован для поиска планет, расположенных на больших расстояниях от своей звезды.
Это делает астрометрию хорошим методом поиска экзопланет, похожих на Землю.
Пока что этим методом было обнаружено лишь несколько экзопланет.
Однако это полезный способ подтвердить наличие ранее обнаруженных экзопланет.
Мы также можем использовать астрометрию для определения массы экзопланеты.
Кроме того, он дает более точные результаты, чем метод определения радиальной скорости.
В 2018 году астрометрические данные были использованы, чтобы показать, что масса экзопланеты Бета Живописца b составляет 11±2 массы Юпитера.
Это значение хорошо согласуется с оценкой минимальной массы планеты, составляющей около 13 масс Юпитера.
Прямое наблюдение
Планеты не излучают свой собственный свет.
Они сияют только благодаря тому, что свет от их звезды попадает на них и отражается.
Этот свет включает в себя видимый свет, но также и другие длины волн, такие как инфракрасный.
Количество света, которое планета повторно излучает и отражает, зависит от альбедо планеты.
Большинство планет излучают не так много света, особенно в видимом диапазоне длин волн.
По сравнению со своими родительскими звездами экзопланеты очень тусклые.
Использование этого метода немного напоминает поиск зажженной спички посреди освещенного спортивного стадиона.
С помощью прямой визуализации было обнаружено менее 100 экзопланет.
Астрономы используют круглую пластину, называемую коронографом, чтобы блокировать свет от звезды.
Это позволяет увидеть слабые объекты вокруг более яркой звезды.
Чем дальше экзопланета находится от своей звезды, тем легче должно быть отделить свет от звезды и планеты.
Однако чем больше расстояние, тем меньше света планета получает от звезды, и поэтому она повторно излучает меньше света.
Однако иногда удается обнаружить тепло далекой планеты.
Мы называем это его «тепловым излучением».
Используя наши знания закона Вина (Wien’s Law), мы знаем, что планета, подобная нашей Земле, повторно излучает большую часть своего света в виде инфракрасных волн.
Однако некоторые объекты, обнаруженные с помощью этого метода, могут и не быть экзопланетами.
Коричневые карлики также имеют малую массу, слабы и их легче всего обнаружить в инфракрасном диапазоне.
Молодые планеты выделяют больше тепла, чем старые, и их легче найти с помощью этого метода.
Самой старой экзопланетой, обнаруженной путем прямого наблюдения, является Проксима Центавра c.
Считается, что ее масса примерно в 7 раз превышает массу Земли, а возраст — 4800 миллионов лет.
Гравитационное микролинзирование
Метод микролинзирования позволяет выявить влияние гравитации на свет, исходящий от звезды.
Это хороший способ поиска очень слабых объектов.
Гравитация — это результат массового искривления материи времени и пространства.
Вы можете думать об этом как о шаре для боулинга на батуте.
Шар будет деформировать материал.
Свет распространяется по прямой линии.
Гравитационное линзирование происходит, когда свет следует за изгибом материи времени и пространства.
Свет искривлен и сфокусирован.
В результате получается все равно что смотреть через огромную лупу.
Действительно массивные объекты, такие как черные дыры, производят наибольший эффект.
Однако менее массивные объекты, такие как звезды и планеты, также могут вызывать небольшой эффект, называемый микролинзированием.
Мы наблюдаем события микролинзирования, когда гравитация экзопланеты и ее звезды действует подобно линзе.
Когда планета и ее звезда проходят между Землей и более удаленной звездой, свет от более удаленной звезды искривляется и усиливается.
Если у ближайшей звезды есть экзопланета, то гравитация планеты усилит эффект линзирования.
Это создаст специфическую «вспышку» в свете далекой звезды.
Этот метод требует, чтобы 2 звезды были почти точно выровнены, как видно с Земли.
Для отдельных звезд шансы на это очень малы.
Такие совпадения случаются раз в жизни и длятся всего несколько дней, а иногда и недель.
Итак, чтобы найти экзопланету, мы должны наблюдать за огромным количеством звезд.
Шансы на успех возрастают, если мы будем искать планеты между Землей и центром Млечного Пути.
Это происходит потому, что ближе к центру галактики больше фоновых звезд.
Согласно переписи экзопланет НАСА, около 3% известных экзопланет были обнаружены с помощью микролинзирования.
Периодические пульсации
С помощью этого метода была обнаружена самая первая экзопланета.
Она вращалась вокруг пульсара под названием PSR B1257+12. Но как работает этот метод? И что такое пульсар?
Хотя звезды сияют тысячи, миллионы или миллиарды лет, они не вечны.
То, что происходит, когда у звезды в конечном счете заканчивается топливо, зависит от массы звезды.
Звезды, по меньшей мере в 10 раз массивнее Солнца, взрываются как сверхновые.
Некоторые из этих взрывов оставляют после себя маленькую, но очень плотную звезду, называемую нейтронной звездой.
Нейтронные звезды вращаются очень быстро и обладают очень сильным магнитным полем.
Они также испускают лучи излучения со своих полюсов.
Когда нейтронная звезда вращается, лучи проходят мимо Земли через равные промежутки времени.
Это немного похоже на то, как видеть вспышки света от маяка.
Мы можем обнаружить эти вспышки, или импульсы, радиоволн и назвать их пульсарами.
Вращение нейтронной звезды очень регулярное.
Это означает, что время между импульсами более точное, чем у атомных часов.
Любые изменения во времени пульсара могут быть вызваны планетой, вращающейся вокруг нейтронной звезды!
Этот метод очень хорош при поиске планет с малой массой. Даже те, которые намного меньше Земли.
К сожалению, пульсары не очень распространены в пределах Млечного Пути.
Кроме того, у нас меньше шансов найти экзопланету, вращающуюся вокруг пульсара, чем звезду-красный гигант или звезду главной последовательности.
Планета должна была бы пережить взрыв сверхновой, в результате которого образовалась нейтронная звезда.
Планеты вблизи пульсаров, вероятно, непригодны для жизни.
Нейтронные звезды обладают магнитными полями, которые в триллионы раз сильнее, чем у Земли.
Радиальная скорость
Этот метод ищет сдвиги в спектре света, исходящего от звезды.
Возможно, вы знаете, что все в нашей Солнечной системе вращается вокруг Солнца. Но это не совсем так.
Все в нашей Солнечной системе вращается вокруг центра всей массы в нашей Солнечной системе.
Солнце также вращается вокруг этого центра масс, что придает ему очень небольшое колебание.
Однако, поскольку подавляющее большинство массы нашей Солнечной системы находится на нашем Солнце, эффект довольно мал.
Мы можем использовать эти знания при поиске экзопланет.
Величина, с которой звезда колеблется, связана с массой, количеством и близостью ее планет.
Более высокое отношение массы планеты к массе звезды приводит к более заметному колебанию.
Это происходит потому, что по мере увеличения этого соотношения центр масс смещается от центра звезды.
Планета с более длинной орбитой также приводит к большему смещению центра масс.
Если звезда колеблется по направлению к Земле и от нее, мы можем увидеть это с помощью спектроскопии.
Когда звезда удаляется от нас, ее свет слегка «растягивается» и кажется немного краснее, чем был бы в противном случае.
Мы называем это красным смещением.
Когда звезда движется к нам, ее свет слегка «сплющивается» и кажется немного голубее, чем был бы в противном случае.
Мы называем это синим смещением.
Повторяющиеся переходы от красного к синему происходят из-за одной или нескольких экзопланет.
Мы можем использовать сдвиги в спектре для измерения относительной скорости звезды.
Эти данные могут сказать нам, сколько времени требуется планете для обращения вокруг своей звезды.
Он также может быть использован для определения массы и состава планеты.
Транзитный метод
Транзитное событие происходит, когда планета проходит перед звездой.
При этом она блокирует часть света звезды.
Астрономы ищут регулярные провалы в освещении звезды. Они могут быть созданы большой планетой, проходящей перед ним.
Если планета гигантская и расположена близко к звезде, это падение яркости может достигать 2% от общей яркости звезды.
Это также будет происходить каждые несколько дней.
Это делает данный метод хорошим для поиска планет с короткими периодами обращения.
Поиск планеты, которой требуется десятки или сотни лет, чтобы вращаться вокруг своей звезды, занял бы слишком много времени!
Мы знаем, что в нашей галактике миллионы звезд.
Однако транзитный метод работает только в том случае, если у нас есть определенное представление о планете и ее звезде.
Если мы посмотрим сверху на орбиту планеты, мы никогда не увидим, как планета проходит между нами и звездой.
Считается, что около 1% звезд могут иметь транзитную планету, хотя поймать ее с поличным довольно трудно.
Этот метод подходит для поиска, в котором используются телескопы для обследования областей неба.
Ливерпульский телескоп также может охотиться за экзопланетами, используя этот метод.
Согласно переписи экзопланет НАСА, более 75% известных экзопланет были обнаружены с использованием транзитного метода.