Экзопланеты: инопланетные миры за пределами нашей Солнечной системы

24.08.2022
0
10 мин
109
Экзопланеты: инопланетные миры за пределами нашей Солнечной системы

Приветствую вас, уважаемые любители космоса!

В этой статье я бы хотел рассказать вам про инопланетные миры за пределами нашей Солнечной системы — экзопланеты.

Экзопланеты давно занимали мысли ученых и мечтателей.

С тех пор, как человечество впервые обнаружило, что звезды в ночном небе были телами, подобными нашему собственному солнцу, мы воображали и размышляли о мирах, которые могли бы вращаться вокруг этих звезд.

Будут ли эти экзопланеты твердыми земными телами, подобными Земле?

Могли ли они обладать жидкой водой?

Может ли присутствие этого жизненно важного жизнеобеспечивающего элемента в других мирах означать, что мы не одиноки во Вселенной?

«На протяжении тысячелетий люди задавались вопросом, одиноки ли мы. И связаны ли с этим вопросом другие планеты где-либо еще?»

Никку Мадхусудхан (Nikku Madhusudhan), профессор астрофизики и экзопланетологии Института астрономии Кембриджского университета, рассказал:

«Итак, для человека очень важно задать вопрос, есть ли планеты где-то еще».

Экзопланета K2–18b, суперземля, на которой есть и вода, и температура, которые могут поддерживать жизнь

Экзопланета K2–18b, суперземля, на которой есть и вода, и температура, которые могут поддерживать жизнь.

Учитывая это, почти шокирует тот факт, что до 1990-х годов астрономы даже не были уверены, что у звезд за пределами Солнечной системы есть собственные планеты.

Не было никаких доказательств того, что внесолнечных планет или, если коротко, экзопланет не существует, а также не было намеков на то, что Солнечная система каким-то образом уникальна в Млечном Пути.

Но до самого конца 20-го века астрономы были разочарованы отсутствием прямых доказательств существования миров за пределами влияния нашей звезды.

Это связано с тем, что экзопланеты, как известно, трудно обнаружить, согласно Университету Колорадо в Боулдере.

Исторически сложилось так, что самые успешные методы обнаружения экзопланет работали, делая вывод о крошечном эффекте, который планеты оказывают на свои родительские звезды, такие как крошечные провалы в свете или почти незаметное «колебание», которое они вызывают в движении своей звезды.

Иллюстрация первой обнаруженной экзопланеты, вращающейся вокруг солнцеподобной звезды — 51 Pegasi b

Иллюстрация первой обнаруженной экзопланеты, вращающейся вокруг солнцеподобной звезды — 51 Pegasi b.

«Еще 30 лет назад мы не знали ни о каких планетах за пределами Солнечной системы, мы знали только о планетах в Солнечной системе, — сказал Мадхусудхан, — но как только экзопланеты были обнаружены, это открыло совершенно новое окно во Вселенную и другие ее планетные системы».

С этого момента усовершенствованные технологии и хитроумные методы обнаружения привели к созданию обширного каталога экзопланет содержащий более 4800 далеких миров.

«Первой важной вехой в изучении экзопланет стало осознание того, насколько распространены экзопланеты», — сказал Мадхусудхан, разработавший метод поиска атмосферы, чтобы сделать вывод о составе экзопланет.

«Но также и то, что эти экзопланеты чрезвычайно разнообразны. Экзопланеты бывают самых разных масс, размеров и температур».

Когда дело доходит до классификации этих объектов, очевидна предвзятость человечества к Солнечной системе.

Это означает, что миры за пределами Солнечной системы обозначаются как «Суперземли, горячие Юпитеры и суб-Нептуны», но эти планеты могут радикально отличаться от планет наших планетных систем, а это означает, что они могут принимать поразительное разнообразие форм.

Если открытие тысяч экзопланет что-то и показало, так это то, что наша солнечная система обнадеживающе и почти уникально обыденна.

Первое открытие экзопланеты

Первая экзопланета, обнаруженная за пределами Солнечной системы, была примером объекта, явно отсутствующего в Солнечной системе.

Она была открыта Александром Вольщаном (Aleksander Wolszczan) и Дейлом Фрайлом (Dale Frail) в январе 1992 года.

Дуэт открыл скалистую экзопланету, вращающуюся вокруг двойной системы PSR B1620−2 6, состоящей из белого карлика и пульсара, находящихся на расстоянии более 12 000 световых лет.

В следующем году в той же системе была обнаружена вторая планета, тоже земного типа.

Эти планеты, две крайние планеты системы, получили имена Полтергейст (Poltergeist) и Фобетор (Phobetor) и представляли собой первые примеры так называемых «суперземель».

Иллюстрация двойного пульсара PSR B1257+12, являющегося хозяином первых когда-либо обнаруженных экзопланет

Иллюстрация двойного пульсара PSR B1257+12, являющегося хозяином первых когда-либо обнаруженных экзопланет.

Эти суперземли — планеты, определяемые их массами, которые больше, чем масса нашей планеты, но все же меньше, чем у ледяных гигантов Солнечной системы, Урана и Нептуна.

Обычно считается, что верхний предел массы Суперземли в десять раз превышает массу нашей планеты.

Не стоит обманываться, думая, что Суперземли имеют какое-либо другое сходство с нашей планетой.

Этот термин ничего не говорит об условиях поверхности экзопланеты или обитаемости.

В качестве яркого примера исследователи быстро определили, что ни Полтергейст, ни Фобетор не могли поддерживать жизнь, поскольку они были поражены резким излучением пульсара, вокруг которого они вращались.

Поиски планеты вокруг звезды, похожей на Солнце, увенчались успехом в 1995 году, когда Мишель Майор (Michel Mayor), профессор обсерватории факультета естественных наук Женевского университета (UNIGE), Швейцария, и его тогдашний докторант Дидье Кело (Didier Queloz) открыли 51 Pegasi b, или Димидиум, планета, вращающаяся вокруг звезды, напоминающей наше Солнце.

В октябре 2019 года Нобелевский комитет присудил дуэту Нобелевскую премию по физике за открытие планеты.

Хотя звезда, вокруг которой он вращается, 51 Pegasi, подобна Солнцу, это не означает, что его планетная система похожа на солнечную систему.

Это открытие ознаменовало первое обнаружение «горячего Юпитера» — планеты, имеющей размеры и состав газового гиганта солнечной системы, но расположенной обжигающе близко к своей родительской звезде.

«Эти планеты находятся на орбитальном расстоянии ближе, чем Меркурий от солнца», — сказал Ромен Алларт (Romain Allart), научный сотрудник Университета Монреаля, Канада, и член группы Института исследований экзопланет.

«Это означает, что горячие Юпитеры завершают свои орбиты всего за несколько дней, и из-за их расположения близко к звездам-хозяевам они подвергаются сильному облучению с температурой 2000К и более».

Мало того, что 51 Pegasi b был ранним намеком астрономам на то, что Вселенная является более диким и разнообразным местом, когда дело доходит до планет, чем они могли подозревать ранее, горячие юпитеры также станут опорой каталога экзопланет.

«Горячие Юпитеры на самом деле не так распространены во Вселенной, но из-за инструментальных погрешностей они чрезвычайно распространены в текущем каталоге экзопланет», — объясняет Алларт, который был частью команды, исследовавшей горячий Юпитер WASP-76b.

«Поскольку они близки, велики и массивны, методы радиальной скорости и транзита эффективны для обнаружения горячих юпитеров, и эти два метода до сих пор обнаруживали почти все экзопланеты!»

WASP-76b имеет такую высокую температуру, что железо испаряется, падая дождем на более холодную сторону планеты

WASP-76b имеет такую высокую температуру, что железо испаряется, падая дождем на более холодную сторону планеты.

Что касается населения экзопланет, Мадхусудхан говорит, что субнептуны — планеты с меньшим радиусом, чем Нептун, но большей массой, или планеты с меньшей массой, чем Нептун, но большим радиусом — похоже, доминируют в Млечном Пути.

«Осознание того, что маленькие планеты чрезвычайно распространены в других местах, является еще одной важной вехой», — добавляет Мадхусудхан.

По словам астрофизика, одной из вех в исследованиях экзопланет, которые продолжаются в настоящее время и будут экспоненциально развиваться в будущем, является исследование атмосфер этих более миниатюрных планет и поиск воды.

Не слишком холодно, не слишком жарко… в самый раз

Экзопланета, проходящая через лик своего хозяина — это не просто отличный способ для астрономов обнаружить такой мир по падению светового потока звезд, которое она вызывает.

Метод транзита также оказался хорошим способом оценки состава атмосферы планеты.

Это связано с тем, что атомы и молекулы поглощают свет с характерными длинами волн.

Таким образом, наблюдая за пробелами в световых сигнатурах звезд, когда они светят сквозь атмосферы планет, астрономы могут увидеть, из каких элементов состоят эти газовые оболочки.

В 1999 году Грег Генри (Greg Henry) и Дэвид Шарбонно (David Charbonneau) использовали транзитный метод для обнаружения и наблюдения за экзопланетой, проходящей перед звездой HD 209458.

Это показало, что планета, названная HD 209458 b, имела атмосферу из кислорода, азота, углерода и, что важно, воды.

Эта атмосфера удаляется из этого мира, оставляя за собой след, похожий на след кометы.

По словам Мадхусудхана, с 1999 года и особенно в последнее десятилетие наблюдения за атмосферой экзопланет значительно расширились, и были сделаны первые надежные измерения водяного пара в атмосферах этих планет.

К сожалению, как и в случае с HD 209458 b, многие из этих обнаружений мало что говорят нам о возможности существования там жизни.

«На горячих планетах-гигантах мы обнаружили воду, по большей части в виде водяного пара. И на этих планетах нет жизни» — говорит Мадхусудхан.

Однако, как ни странно, ситуация начинает меняться.

Мадхусудхан — редактор журнала Exofrontiers, в котором собраны новаторские работы научного сообщества экзопланет: он отмечает, что наши методы исследования атмосферы улучшились до такой степени, что теперь мы можем обнаруживать химические элементы вокруг гораздо меньших планет.

Это включает в себя похожие на Землю миры в так называемых обитаемых зонах планет «Goldilocks» (Златовласки), где условия как раз подходят для существования жидкой воды.

«Мы можем обнаруживать небольшие планеты размером с Землю в обитаемых зонах их родительских звезд вокруг близлежащих звезд. И это особенно верно для маленьких звезд, называемых М-карликами», — говорит Мадхусудхан, ссылаясь, в частности, на планеты в системе TRAPPIST-1.

Экзопланеты, обнаруженные телескопом Кеплер, которые вращаются вокруг двух звезд, одна из которых находится в зоне «Goldilocks» вокруг звезд

Экзопланеты, обнаруженные телескопом Кеплер, которые вращаются вокруг двух звезд, одна из которых находится в зоне «Goldilocks» вокруг звезд.

Обнаруженная в 2017 году система содержит семь каменистых земных миров, каждый из которых находится на подходящем расстоянии от своего красного карлика, чтобы облегчить существование воды на их поверхности.

«Все это маленькие, гористый, похожие на Землю каменистые планеты на подходящих для жизни расстояниях вокруг своих звезд-хозяев».

Наблюдения за планетами системы TRAPPIST-1, проведенные в феврале 2018 года, показали, что некоторые из них могут даже содержать больше жидкой воды и более широкие океаны, чем Земля.

Это делает систему одной из главных целей для исследования атмосферы с помощью будущих телескопов, включая космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST).

Потенциальный состав экзопланет системы TRAPPIST-1, некоторые из которых содержат больше воды, чем Земля

Потенциальный состав экзопланет системы TRAPPIST-1, некоторые из которых содержат больше воды, чем Земля.

Поиск экзопланет

Этот аспект поиска жизни и исследования атмосферы не был частью миссии JWST, когда в 1989 году были первоначально обнародованы планы создания 32-футового (десятиметрового) телескопа ближнего инфракрасного диапазона с пассивным охлаждением на высокой околоземной орбите.

В последний год 1980-х астрономы даже не обнаружили планет вокруг других звезд, а до запуска Космического телескопа Хаббла, который внес бы важный вклад в этот поиск, оставался еще год.

Различные команды астрономов хватаются за время наблюдения с помощью нового космического телескопа, чтобы исследовать планеты за пределами Солнечной системы.

Среди них Мадхусудхан, который возглавляет группу, работающую с JWST для беспрецедентно подробного исследования атмосфер экзопланет:

«Мы действительно находимся в золотом веке науки об экзопланетах, но мы также находимся на пороге крупной революции в современной астрономии».

И хотя даже JWST стоимостью 10 миллиардов долларов не сможет окончательно сказать, есть ли на планете жизнь, его наблюдательная способность приближает человечество к обнаружению молекул, которые намекают на присутствие живых организмов.

Это заложит дополнительную основу для будущих миссий.

«Мы — счастливое поколение, которое может стать свидетелем открытия жизни где-то еще, в пределах этого поколения», — говорит Мадхусудхан.

«Мы мечтали об этом тысячи лет, и нам посчастливилось стать тем поколением, в котором произойдет это важное открытие.

«Для меня это огромно».

Взвешивание скалистых экзопланет системы TRAPPIST-9, которые станут главной целью JWST

Взвешивание скалистых экзопланет системы TRAPPIST-9, которые станут главной целью JWST.

Мадхусудхан является частью исследования так называемых гикейских миров — богатых водой планет, поверхность которых почти полностью покрыта океанами, а атмосфера состоит в основном из молекулярного водорода.

Эти гипотетические миры потенциально могут переопределить границы того, что мы считаем обитаемой зоной.

Это дает исследователям цели за пределами традиционной обитаемой зоны, чтобы включить их в поиск характерных признаков жизни.

И ничто так не говорит о «забрасывании более широкой сети», как открытие этого года о том, что астрономы, возможно, уловили намек на первую экзопланету, когда-либо обнаруженную за пределами Млечного Пути.

Команда, в том числе Ниа Имара (Nia Imara) из Калифорнийского университета, возможно, обнаружил экзопланету размером с Сатурн в 28 миллионах световых лет от Земли в галактике Мессье 51.

Эта внегалактическая экзопланета, кажется, вращается вокруг компактного объекта большой массы, такого как нейтронная звезда или черная дыра.

«Удивительно, но мы только царапаем поверхность, поскольку теперь думаем, что почти каждая вторая звезда содержит планету, и что в нашей галактике сотни миллиардов звезд, а во Вселенной миллиарды галактик», — добавляет Алларт.

«Разнообразие экзопланет уже настолько богато, что даже лучшие авторы научной фантастики не могли себе этого представить. Удивительно открывать все больше и больше странных экзопланетных систем и миров».

По словам Алларта, несмотря на это богатство планет и наше растущее знание о них, защита нашего собственного мира по-прежнему имеет первостепенное значение: «Солнечная система и, в частности, Земля остаются уникальными по разнообразию экзопланет. Поэтому важно понять, что нет Планеты Б».

Если у вас остались вопросы или вы хотите оставить комментарий по этой статье - напишите его в разделе комментариев ниже.

До скорых встреч! Заходите!

Средний балл: 4