Что такое экзопланета в астрономии

Что такое экзопланеты и как ищут жизнь во Вселенной

Что такое экзопланета

В слове «экзопланета» приставка «экзо» означает «вне», «снаружи». Получается, что экзопланеты — это все планеты за пределами Солнечной системы. Большинство из них, как и Земля, вращаются вокруг звезд, но встречаются и не привязанные к орбите определенной звезды.

Большинство открытых экзопланет находятся в одном регионе нашей Галактики — внутри Млечного пути. При помощи мощных телескопов ученые измеряют размеры планет, их состав и поверхность. Большая часть открытых экзопланет состоят из тех же элементов, что и планеты Солнечной системы. Отличаются только комбинации и соотношение: на некоторых больше воды и льда, на других — железа и углерода. При этом нет ни одной планеты, которая была бы идентична Земле или другим телам Солнечной системы.

Первую экзопланету обнаружили в 1992 году. С тех пор астрономы идентифицировали тысячи планет, и их число постоянно растет. С Земли не всегда просто обнаружить новые тела: не хватает мощности телескопов, и обзор может перекрываться звездами или другими планетами. Количество открытых небесных объектов может увеличиться в разы, как только ученые наладят технологию запуска космических роботизированных телескопов, которые будут отправлять на Землю данные о своих наблюдениях. Часть таких телескопов уже запущена в космос, но развитие направления поможет ускорить процесс открытия и изучения небесных тел.

Какие бывают типы экзопланет

Наша Галактика состоит из огромного количества звезд — не менее 100 млрд, включая Солнце. Если представить, что вокруг каждой звезды вращается минимум одна планета, то количество неоткрытых экзопланет представляется астрономическим. При этом ученые предполагают, что у каждой звезды есть своя система, в которую входит сразу несколько планет. В таком случае количество экзопланет внутри одного Млечного Пути может составлять триллионы.

Тысячи лет до нашего поколения люди догадывались о существовании планет за пределами Солнечной системы. Сейчас мы точно знаем, что экзопланеты существуют и их много, но все еще не можем добраться ни до одной из них. У ближайшей к Земле звезды — Проксима Центавры — есть минимум одна планета. Вероятно, это планета земного типа, и на ней может находиться вода. Но лететь до нее придется более четырех световых лет, при этом ученые пока не могут с точностью описать свойства планеты и сказать, подходит ли она для жизни. Остальные экзопланеты находятся на расстоянии сотен или тысяч световых лет от нас, и посетить их пока нет никакой возможности.

С момента открытия первой экзопланеты прошло почти 30 лет, но мы до сих пор не знаем о всем разнообразии существующих планет. Поэтому их деление скорее условно.

Газовые гиганты

В космосе встречаются газовые гиганты, наподобие Юпитера и Сатурна. Сейчас известно о 1367 экзопланетах такого типа. Самые известные из них:

51 Pegasi b — газовый гигант с атмосферной температурой более 1000 °C. Первая открытая планета из тех, что вращаются вокруг звезд солнечного типа.

KELT-9 b — cамая горячая известная экзопланета. Температура на дневной стороне может подниматься до 4600 °C. Находится на расстоянии 667 световых лет от Земли.

Нептунианские экзопланеты

Маленькие планеты с атмосферой, на которых преобладают водород и гелий. Открыто 1484 планеты, самые известные:

Kepler-1655 b — экзопланета, похожая на Нептун. Полный оборот вокруг звезды (то есть, один год) на Кеплере, проходит за 11,9 дней. Экзопланету открыли в 2018 году.

GJ 436 b — экзопланета, которая находится относительно близко к Земле: лететь до нее придется 32 года.

Суперземли

Экзопланеты из газа, горных пород и их комбинаций, которые в несколько раз больше Земли. Открыто 1346 планет, самые известные:

Barnard’s Star b — вторая самая близкая к Земле экзопланета, лететь до нее шесть лет. Планету открыли в 2018 году. Она в 3,2 раза больше нашей планеты. Звезда, вокруг которой вращается экзопланета, дает ей только 2% энергии, которую получает Земля от Солнца.

GJ 15 A b — экзопланета, которая вращается вокруг звезды красного карлика в 11 световых годах от Земли. В ее системе есть еще одна планета, что делает ее ближайшей к нам суперземлей со своей системой.

Планеты земного типа

Скалистые тела, похожие на Землю, Марс или Венеру. Открыто 164 планеты, самые известные:

TRAPPIST-1 e — ее масса составляет 60% массы Земли, а год на планете длится 6,1 дня. Планету открыли в 2017 году.

TRAPPIST-1 d — как и Земля — третья планета от своей звезды. Скалистая планета с температурой поверхности около 2290 °C.

Как ищут экзопланеты

Экзопланеты находят при помощи мощных телескопов, которые располагаются на Земле или летают в космосе. Изучение неба через космический телескоп обсерватории NASA «Кеплер» показало, что в Млечном пути находится больше планет, чем звезд. Данные рассчитывались через статистическую оценку. Сейчас ученым известно, что в Галактике сильно распространены маленькие планеты. Однако открывать их сложно: в силу их размера они могут быть не видны в телескоп. Все усложняется тем, что от них, в отличие от звезд, не исходит света. Вдобавок яркий свет звезды может скрывать планету: это как пытаться рассмотреть пылинку на включенной лампе.

Чтобы найти экзопланету, астрономы пытаются обнаружить признаки нахождения планеты у материнской звезды. Свойства звезды могут меняться, если вокруг нее вращается планета. Во-первых, планета влияет на вращение: звезда начинает немного раскачиваться, и специальное оборудование может уловить это движение. Планета — единственное, что может повлиять на такое изменение. Во-вторых, мощный телескоп может поймать небольшую тень, которая исходит от планеты на звезду. Существуют и другие способы поиска, но эти два считаются основными и применяются чаще всего.

Несмотря на существование таких способов, ученым пока не хватает мощностей, чтобы открыть все планеты. До сих пор не было обнаружено ни одной системы, похожей на Солнечную. Вероятно, это говорит о том, что современные телескопы не могут уловить маленькие планеты. К тому же многие из них вращаются на далеком от звезд расстоянии, и на них почти не падает свет, что делает их поиск почти невозможным с далекого расстояния.

Актуальные прогнозы исследований экзопланет

Мощные телескопы и технологии нового поколения помогут открыть все большее количество экзопланет. Они помогут приблизить нас к поиску планет, похожих на Землю: такие вращаются относительно далеко от звезд и имеют маленькие размеры.

Космический телескоп Джеймса Уэбба

Гигантский телескоп размером с теннисный корт будет запущен в космос из Французской Гвианы в 2021 году. Телескоп будет наблюдать Вселенную в инфракрасном свете, изучать формирование планетных систем и состав атмосфер экзопланет. Ожидается, что он станет главным космическим инструментом нынешнего десятилетия.

Космическая платформа: телескоп Нэнси Роман

В середине 2020-х годов в космос запустят электростанцию телескопов, которая поможет лучше изучить экзоланеты. Окно зрения этой станции будет в 100 раз превышать окно самого мощного телескопа NASA, который сейчас занимается поиском планет. Главная цель — изучение темной материи и темной энергии, но в рамках своей программы он будет делать и фотографии экзопланет. С его помощью начнут исследовать плотные звезды Млечного Пути, а на их фоне можно поймать и новые планеты.

Зачем изучать экзопланеты

Теоретически, изучение экзопланет поможет ответить на вопрос: «одни ли мы в этой Вселенной?». Поиск новых планет — одно из самых быстроразвивающихся направлений астрономии. Изучение разных космических тел поможет лучше понять, как устроена Солнечная система, как она сформировалась, и есть ли в мире похожие группы планет. А также, существует ли планета, настолько похожая на Землю, что на нее можно переехать.

В погоне за этими ответами ученые делают новые открытия и раскрывают детали Вселенной. В частности, находят возрастные планеты и делают предположения о том, как может развиваться Солнечная система и какие у нее сроки жизни.

Основная цель направления — поиск признаков жизни во Вселенной. Небо экзопланет может содержать элементы, которые помогут ответить на этот вопрос.

Источник

Экзопланеты

Экзопланетами называют миры, расположенные вне нашей Солнечной системы. За последние 20 лет были найдены тысячи чужих планет при помощи мощного космического телескопа Кеплер НАСА. Все они отличаются по размерам и орбитам. Некоторые – гиганты, вращающиеся очень близко, а другие – ледяные или же скалистые. Но космические агентства сосредоточены на конкретном виде. Они ищут экзопланеты размера Земли и с расположением в зоне обитаемости.

Зона обитаемости – идеальная дистанция между планетой и звездой, позволяющая поддерживать нужную температуру для образования жидкой воды. Первые наблюдения основывались только на балансе тепла, но сейчас учитываются и прочие факторы, вроде парникового эффекта. Конечно, это «размывает» границы зоны.

В августе 2016 года ученые заявили, что нашли подходящий кандидат в экзопланеты земного типа возле звезды Проксима Центавра. Новый мир назвали Проксима b. Он превосходит Землю по массивности в 1.3 раза (скалистый). Отдален от звезды на 7.5 миллионов км, а на орбиту тратит 11.2 дней. Это значит, что планета заблокирована – всегда повернута к звезде одной стороной (как в случае с земным спутником).

Ранние открытия

Хотя официально наличие экзопланет не подтверждали до 1990-х годов, астрономы знали, что они там есть. И это не строилось на фантазиях и сильном желании. Достаточно было посмотреть на медлительность вращения нашей звезды и планет.

Ученые владели главным механизмом – история появления Солнечной системы. Они знали, что существовало газовое и пылевое облако, не выдержавшее давления собственной гравитации и рухнувшее в себя. В момент крушения появилось Солнце и планеты. Сохранение углового момента обеспечило ускорение для будущей звезды. Солнце вмещает 99.8% массы всей системы, а у планет – 96% момента движения. Поэтому исследователи не уставали удивляться медлительности нашей звезды.

Наиболее юная экзопланета достигает возраста меньше миллиона лет и вращается вокруг звезды Coku Tau 4, удаленной на 420 световых лет. Ученым удается заметить ее из-за большого пробела, присутствующего в звездном диске. Она в 10 раз крупнее земной орбиты и скорее всего создается во время вращения планеты, очищающей пространство диска от пыли.

Они начали искать исключительно звезды, напоминающие нашу. Но ранние находки в 1992 году неожиданно привели к пульсару (мертвая звезда с быстрой скоростью вращения после взрыва сверхновой) – PSR 1257+12. В 1995 году обнаружился первый мир – 51 Пегаса b. По размеру напоминал Юпитер, но располагался ближе к своей звезде. Это было удивительное и шокирующее открытие. Но прошло 7 лет, и мы нашли новую планету, намекающую на то, что Вселенная богата на миры.

В 1998 году команда из Канады заметила мир образца Юпитер возле Гамма Цефея. Но ее орбитальный путь был намного меньше, чем у Юпитера, и ученые не претендовали на исследование находки.

Бум на данные

Первые открытые экзопланеты представляли собою газовых гигантов (как Юпитер). Тогда ученые использовали методику лучевых скоростей. Она вычисляла уровень «раскачивания» звезды. Этот эффект создавался, если рядом с ней были планеты. Крупные экземпляры имеют большую массивность, а потому их присутствие обнаружить проще.

Перед тем как вступить в активное исследование экзопланет, земные инструменты умели измерять движение звезд до км/с. Это слишком слабо, чтобы уловить колебание, вызванное планетой. Сейчас существует более тысячи найденных миров, обнаруженных космическим телескопом Кеплер. Оказался на орбите в 2009 году и охотился 4 года. Он вышел на новую методику – «транзит». То есть, измеряет уровень уменьшения яркости звезды в момент, когда перед ней появляется планета и затеняет. Ниже показана схема, где сопоставляются методы поиска и количество открытых экзопланет.

Количество экзопланет, открытых разными способами

Кеплер показал, что существует множество различных объектов и предоставил богатый список экзопланет. Были не только подобные Юпитеру, но и миры земного типа. Отсюда появилось новое направление поиска – «суперземли» (по размеру колеблются от Земли к Нептуну).

В 2014 году появилась еще одна техника – «тест на множественность», способный ускорять процесс подтверждения кандидатуры в экзопланету. Базируется на орбитальной устойчивости. Большинство звездных транзитов связаны с наличием на орбите малых планет. Но многократно затмевающие звезды могли имитировать этот эффект и выгонять друг друга гравитацией из системы.

Типы экзопланет

Горячие Юпитеры

Это газовые гиганты, напоминающие массу Юпитера, но совершающие обороты слишком близко к звезде-хозяину. Из-за этого происходит резкий скачок температуры (7000°C). Для ученых было настоящим сюрпризом обнаружить, что этот вид довольно распространен, так как ранее полагали, что такие планеты должны вращаться во внешней линии.

Такие объекты совершают орбитальные проходы вокруг нейтронных звезд – остаточные ядра крупных звезд, то есть, все, что сохранилось после взрыва сверхновой. Нет сомнений, что ни одна планета не переживет такое событие, поэтому они формируются уже после.

Эти объекты по параметрам и химическому составу напоминают нашу и вращаются в зоне обитания (идеальная дистанция к звезде, позволяющая сохранять воду в жидком состоянии). Они ценны для обнаружения, так как могут располагать жизнью.

Это скалистые планеты, превосходящие земную массу в 10 раз. Сама приставка «супер» намекает лишь на характеристики размера, а не какие-то планетарные особенности. Поэтому среди них встречаются и газовые карлики. Первыми найденными суперземлями были два объекта, совершающих обороты вокруг пульсара PSR B1257 + 12.

В нашей Солнечной системе, планеты по большей части имеют довольно равномерные круговые орбиты. Однако, экзопланеты, найденные до сих пор, могут иметь гораздо более эксцентричные орбиты, двигаясь то близко, то в отдаление от звезды. Если идеальный круг имеет значение эксцентриситета равное ноль, то примерно половина экзопланет имеет эксцентриситет 0,25 или более.

Эти эксцентричные орбиты могут привести к довольно экстремальным тепловым волнам. Например, HD 80606b, которая примерно в четыре раза больше Юпитера и находится на расстоянии примерно в 200 световых лет от Земли, имеет эксцентриситет примерно 0,93. Таким образом, орбитальное расстояние HD 80606b меняется в промежутках от орбитального расстояния Земли до орбитального расстояния Меркурия.

Газовые и ледяные гиганты

К газовым относят те, что напоминают Юпитер и Сатурн. Из элементов присутствуют водород и гелий, окружающие скалистое или металлическое ядро. У ледяных, вроде Нептуна и Урана, намного меньше этих элементов, зато заметны более тяжелые. К этим типам относятся примерно 2/3 найденных экзопланет.

Эти объекты полностью укрыты водным слоем. Скорее всего, с самого начала это были ледяные миры, появившиеся на большой удаленности от звезды. Но что-то заставило их приблизиться. Температура поднялась и лед трансформировался воду.

Изначально были газовыми гигантами, которым не повезло подойти слишком близко к звезде. Из-за этого атмосферы выгорела, оставив лишь металлическое или скалистое ядро. На поверхности может течь лава. Суперземли и хтонические планеты похожи, поэтому их иногда путают.

Планета-сирота

Их еще называют «сиротами», так как не располагают главной звездой. Находятся в изоляции, потому что по какой-то причине их выбросило из системы. Ученым удалось найти всего несколько примеров, но полагают, что этот тип распространен.

Земные приборы активно работают над поиском. У нас есть MOST и TESS НАСА, CHEOPS (Швейцария) и спектрограф HARPS. Не стоит забывать о телескопе Спитцер. Он идеален тем, что настроен на инфракрасный диапазон и способен вычислять экзопланеты по температуре и даже характеризовать атмосферные показатели. Ниже представлен список экзопланет, пригодных для жизни.

Диаграмма с относительными размерами экзопланет, найденных Кеплером. Сравнивается с Марсом и Землей

Известные экзопланеты

Мы располагаем двумя тысячами планет за пределами Солнечной системы, поэтому сложно выбрать несколько примеров. Конечно, выделяются небольшие и расположенные в зоне обитания. Но стоит вспомнить еще 5 объектов, способствующих нашему пониманию эволюционного планетарного пути.

— 51 Пегаса b – первая найденная планета, обладающая половиной массы Юпитера. Ее орбитальный путь приравнивается к маршруту Меркурия. Удаленность от звезды мала, поэтому находится в заблокированном состоянии (одна сторона всегда повернута к звезде).

— 55 Рака e – суперземля возле звезды, чья яркость позволяет наблюдать ее невооруженным глазом. Это очень хорошо, так как дает ученым возможность исследовать детали чужой системы. На один орбитальный проход уходит 17 часов и 41 минута. Объект может обладать алмазным ядром и большим количеством углерода.

— WASP-33b – интересная планета с заметной защитной оболочкой. Речь идет о стратосфере, впитывающей видимое и ультрафиолетовое свечение звезды. Ее нашли в 2011 году. Орбитальное движение противоположно звездному, что создает ощутимые вибрации.

— HD 209458 b – первая, которую удалось найти при помощи звездного транзита в 1999 году. Она также стала первой, у которой выявили атмосферную характеристику вместе с температурными показателями и отсутствием облачных формирований.

— HD 80606 b – считалась самой необычной планетой из-за странностей в орбите (будто проход кометы Галлея вокруг нашей звезды). Скорее всего, на это влияет еще одна звезда. Нашли в 2001 году. Изучите список экзопланет земного типа с указанием звезды-хозяина и расстояния от Солнца.

Список ближайших экзопланет земного типа

Посмотрите увлекательные видео про экзопланеты, чтобы исследовать их строение, внутренний состав, классификацию, особенности атмосферы и расположение в зоне обитаемости.

Как искать экзопланеты?

Как удается найти мир, по размеру напоминающий нашу планету, если он скрывается за десятками световых лет? И насколько сложно отыскать экзопланету земного типа с потенциалом для жизни? Вся грандиозность поставленной проблемы становится понятнее, если вспомнить, что крупные звезды кажутся всего лишь небольшими яркими точками. Некоторые даже в мощные телескопы не удается разглядеть.

Но для ученых нет ничего невозможного и они всегда находят обходные пути. Если планету нельзя увидеть в прямое наблюдение, то остаются приметные звезды, которые влияют на орбитальный путь планеты. В начале 20-го века астрономы выявили конкретные критерии поиска, но только в последнее время телескопы достигли нужной чувствительности, чтобы применить их на практике и не ошибаться. Какие же есть методы? Перечислим их:

Художественная интерпретация планеты, совершающей орбитальный проход вокруг звезды за пределами нашей системы. Это 51 Пегас b – газовый гигант, чей орбитальный путь занимает 4 дня

С развитием техники ученым удается открывать все больше экзопланет, чье количество начинает исчисляться уже тысячами. Именно поэтому важно уметь группировать объекты, чтобы разбираться в характеристиках. Но у нас до сих пор мало информации о далеких планетах, поэтому само определение остается неточным.

Что собою представляет планета?

Давайте разберемся в том, что такое планета. В 2006 году вышел документ Международного астрономического союза (МАС), в котором говорилось, что объект для планетарного статуса должен соответствовать нескольким критериям:

Эти условия появились только после того, как Майк Браун обратил внимание на несколько миров на окраине Солнечной системы. По размеру они напоминали Плутон. Пришлось пересмотреть определение и Плутон автоматически перенесли в категорию карликовых планет.

Важно отметить, что это решение не восприняли с энтузиазмом и одобрением. За Плутон заступались не только ученые, но и простые люди. Особенно сильно протестовал Алан Стерн. Он был главным исследователем миссии «Новые горизонты», посетившей Плутон в 2015 году. Он много раз заявлял, что «устранить чужеродные объекты» – слишком расплывчатое требование. Ведь на Земной орбите есть астероиды. Да и фото продемонстрировали сложный и интересный мир, на котором видны горы, замороженные озера и прочие планетарные атрибуты.

Но в МАС отказались что-то менять и сказали, что карликовые планеты представляют такой же научный интерес. Они также упомянули такие крупные тела, как Харон и Тритон, на которых заметно много интересных особенностей.

В 2017 году Стерн и несколько других ученых предложили более усовершенствованное определение: «Планета – субзвездный массивный объект, лишенный ядерного синтеза и обладающий достаточной собственной гравитацией, чтобы сформировать сфероид».

Первую экзопланету заметили в 1992 году недалеко от PSR B1257+12 (пульсар). А вот планету у звезды главной последовательности (51 Пегаса b) обнаружили в 1995 году. С того момента телескопу Кеплер удалось отыскать тысячи «земных» планет и проживающих в зоне обитаемости (есть необходимые условия для того, чтобы вода сохранялась в виде жидкости).

Но он также выявил широкое разнообразие планет. Например, были распространены горячие юпитеры. Некоторые были невероятно древние. Достаточно вспомнить PSR 1620-26 b, которая уступает по возрасту Вселенной всего на миллиард лет. Есть те, кому не повезло проживать чересчур близко к звезде, и их атмосфера напоминает ад на Венере. Были найдены экземпляры, которым удается совершать обороты вокруг двух или даже трех звезд сразу.

Макет телескопа Джеймса Уэбба в натуральную величину

Конечно, становится понятно, что при таком планетарном разнообразии очень сложно следовать единой системе классификации. Прежде всего исследователи учитывают предрасположенность к наличию жизни. Такие числятся в списке обитаемых экзопланет.

Вот только для этого нужно знать два параметра: массу и орбиту. К сожалению, современная техника все еще не обладает необходимой мощностью, чтобы изучать чужие атмосферы, если только объект не расположен близко и недостаточно крупный. Но все может измениться с появлением в 2018 году телескопа Джеймс Уэбб.

Классификация

Какие существуют типы экзопланет и что собою представляет классификация? Наверное, самая популярная та, которой пользовались в «Звездном Пути»: населенная планета – класс М. Следуя этой схеме, имеем:

Если взять научные схемы, то для распределения используют массу или разнообразие элементов. Массу получают на основе наблюдений в телескоп. Ее вычисляют по лучевой скорости, улавливаемой спектрографами. В таком случае, классификация выглядит так:

Источник