03.12.2016
Экзопланеты

Что такое Экзопланеты и как их выявляют

Рейтинг:  0 / 5

Звезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активна
 

Планеты у других звезд называют экзопланетами: «экзо» по-гречески значит «вне», «снаружи» — вне Солнечной системы. Слово «экзопланета» в русском языке можно считать устоявшимся. Планеты у других звезд не только существуют, их много! Астрономы, философы и писатели-фанта-сты издавна рассуждали о существовании планет у других звезд, но только в 1992 году Александр Вольщан и Дейл Фрейл впервые открыли сразу две планеты около пульсара PSR1257+12. В 1995 году французско-швейцарская группа исследователей открыла первую планету около обычной звезды под названием 51 Пегаса, а в последние годы астрономы умудряются наблюдать экзопланеты непосредственно.

На сегодняшний день достоверно подтверждено наблюдениями нескольких телескопов существование 2000 экзопланет в 1200 планетных системах (эти числа растут каждую неделю, один из официальных списков — на сайте Международного астрономического союза (MAC): www.nameexoworlds.org/the exoworlds).

Весьма распространены звезды с несколькими планетами, например, около звезды Кеплер-11 открыто уже шесть планет. Из 1200 систем 480 содержат более одной планеты (да и оставшиеся наверняка содержат еще не открытые планеты). Всего наблюдалось более 5 ООО экзопланет, но некоторые без подтверждения, полученного несколькими телескопами, остаются лишь кандидатами в планеты, интригующими цифрами в компьютере.

Приблизительно оценить долю звезд с планетами среди всех звезд можно, если соотнести два числа: у скольких звезд планеты нашли (1200) и у скольких искали (примерно 120000).

Получается примерно у одной из ста. Но для более точной оценки нужно учитывать несовершенство современных астрономических методов. Например, большинство экзопланет открыто при прохождении перед своей звездой — как при прохождениях Меркурия и Венеры для землян перед Солнцем. Такое везение случается, только если звезда, экзопланета и Земля лежат на одной прямой с точностью в 1°. Поскольку угол «Земля — звезда — экзопланета» может быть любым — от 0° до 90°, этим способом мы в принципе можем открыть не более 1°/90° всех экзопланет. Полный перечень ограничений современных методов астрономии говорит, что экзопланет должно быть раз в 100 больше, чем мы можем увидеть. Это значит, что почти у каждой звезды есть хотя бы одна планета. В нашей Галактике Млечный Путь должно быть более 100 миллиардов экзопланет!

К вопросу «Как много экзопланет?» прилагается и другой: «Что считать планетой?». В 2006 году астрономы на Генеральной ассамблее МАС дали определение планеты Солнечной системы, а формулировку определения экзопланеты отложили на потом. Вопрос слишком сложен. Прежде всего, потому, что нам известны далеко не все данные об открытых экзопланетах. В лучшем случае мы знаем массу и размер планеты, ее расстояние от звезды, температуру поверхности, возраст звезды и соотношение химических элементов в ней. Кажется, знаем немало. И все объекты с массой от 0,003 массы Земли до 13 масс Юпитера считаем планетами (кстати, у Луны масса 0,012 массы Земли, выходит, Луна — планета?). Более массивные объекты называются коричневыми карликами, менее массивные — карликовыми планетами. И те, и другие мы обсудим в отдельных выпусках.

Но внутри объекта с массой 18 масс Юпитера (т.е. вне указанного диапазона планетных масс) при определенном химическом составе теоретически не должны идти ядерные реакции, а при другом составе — должны. В первом случае объект должен классифицироваться как планета, во втором — как коричневый карлик. А мы не знаем, идут ли реакции внутри конкретного объекта, например, КOI-423b, он же Кеплер-39b (Керlег-39b).

Другая зыбкая грань: одни астрономы предполагают, что звезды и коричневые карлики образуются из сгущающихся «кусочков» космических облаков — в отличие от планет, которые сгущаются из газопылевого диска, вращающегося вокруг уже родившейся звезды. Получается, что планеты вроде бы отличаются тем, что имеют родительскую звезду, около которой и рождаются. Другие астрономы уверяют, что обнаружили объекты планетной массы (Сhа 110913-773444 и 2МАSS J04414489+2301513), которые точно сгустились самостоятельно из отдельных облаков вдали от любых звезд. Но никто еще не видел процесс рождения звезд и планет от начала до конца, поскольку он длится миллионы лет. Поэтому не ясно, важен ли вообще способ формирования для классификации космических объектов. А для планет, родившихся по сценарию образования звезд, уже придумали термин вместо слова «планета» — субкоричневый карлик.

Кроме того, компьютерные расчеты показывают, что планеты запросто могут безвозвратно убегать от родительской звезды и блуждать одиноко в космосе. Такие планеты-сироты уже обнаружены: например, PSO J318.5-22, CFBDSIR 2149-0403, WISE 0855-0714. Последняя интересна тем, что находится всего в семи световых годах от нас и является шестым по удаленности от нас межзвездным объектом — после системы трех звезд Альфа Центавра, звезды Барнарда и звезды Луман 16.

Гелиевая планета, объект только из гелия, планетной массы, без ядерных реакций, как показали компьютерные расчеты, может образоваться при потере звездой белым карликом большей части массы под влиянием буйной звезды-соседки. Предполагается, что такова планета GD66-b. Планета — воздушный шарик.

Нашлись астрономы, которые решили объединить привычные нам планеты, субкоричневые карлики, планеты-сироты, гелиевые планеты и, возможно, карликовые планеты в единый класс под названием планемо — сокращение от «планетарной массы объект».

Общая классификация экзопланет

На исследование экзопланет ежегодно тратится более миллиарда долларов. Это самое процветающее направление астрономии. Очевидно, земляне не остановятся, пока не откроют планету, в точности похожую на Землю. Насколько успешно продвигаемся? Диаграмма «Период обращения — масса планеты» показывает все экзопланеты, уверенно подтвержденные на конец 2014 года. Период, выраженный в земных годах (подписан по верхней оси, шкала логарифмическая), в предположении круговой орбиты однозначно пересчитывается в расстояние от планеты до звезды (по нижней оси), выраженное в астрономических единицах (а.е.), то есть средних расстояниях от Земли до Солнца, примерно 150 миллионов км. Названия наиболее интересных экзопланет подписаны.

Экзопланеты, открытые разными методами, обозначены кружками разного цвета: зеленые — методом прохождений, синие — методом лучевых скоростей, бурые — методом вариаций периодических процессов, коричневые — микролинзирова-нием, красные — прямым наблюдением. Видно, что подавляющее большинство экзопланет открыто первыми двумя способами. Видно, что сейчас массово открываются планеты, аналогичные Юпитеру, вот-вот будут обнаружены аналоги Сатурна, несколько лет потребуется для достоверного обнаружения аналогов Земли и еще не скоро. Имеются в виду аналоги по обеим характеристикам — и по периоду, и по массе. То есть планеты с массой Земли И на земном расстоянии от звезды.

Искались планеты с самыми разными характеристиками, но большинство найденных относятся к одному из трех классов, которые обведены овалами: горячие юпитеры — оранжевый, холодные юпитеры — голубой и суперземли — красный овал. Горячие и холодные юпитеры остались «в тылу» передового края науки — около исследованных звезд они открыты все. Значит, уже можно составлять их статистику и делать выводы. Открытия суперземель находятся в самом разгаре.

Горячие юпитеры (например, температура облаков планеты WASP-33b составляет 3200 °С, — это массивные планеты, расположенные очень близко к родным звездам (ближе 0,1 а.е., то есть гораздо ближе, чем Меркурий к Солнцу). Массивные планеты на расстояниях 0,1 -1 а. е. почти отсутствуют, зато полным-полно холодных юпитеров — массивных планет на расстояниях 1-10 а. е. от своих звезд (и наш Юпитер — здесь). Заметьте, массивные планеты не могут состоять из иных веществ, нежели водород и гелий. Причина — все остальные химические элементы во Вселенной редки, и их просто не хватит на формирование большого числа массивных планет. Поэтому и горячие, и холодные юпитеры действительно по составу и строению похожи на наш Юпитер — это газовые гиганты.

Горячие и холодные юпитеры

До открытия горячих юпитеров астрономы не подозревали об их существовании. При вычислении модели образования Солнечной системы получалось, что молодое Солнце, как всякая звезда, мощными потоками солнечного ветра (протонов, электронов и других энергичных частиц) быстро (за миллионы лет) изгнало легкие вещества вдаль (дальше 4 а. е.), оставив около себя только кремний, углерод, железо, алюминий и другие сравнительно тяжелые элементы. Следовательно, около звезды гигантским газовым планетам формироваться не из чего.

В соответствии с этой теорией образования Солнечной системы ученые возлагали большие надежды на добычу ресурсов в космосе. Ведь солнечный ветер и свет должны были рассортировать вещества, и кое-где на Меркурии должно быть много железа, на обратной стороне Луны — алюминия, а в облаках Урана и Нептуна — природного газа метана. Но открытия горячих юпитеров пошатнули теорию, и в среде ученых даже возникла паника: может, и не было сортировки веществ? Тогда космос повсюду беден, и астрономия зачахнет без финансирования как бесполезная наука.

Но астрономы догадались, что горячие юпитеры — это результат миграции холодных юпитеров ближе к звезде. А около звезды горячий юпитер существует не слишком долго, поскольку его атмосфера сдувается все тем же звездным ветром. 

Но почему горячие юпитеры есть только около некоторых звезд? Во-первых, недолгое существование этих «испаряющихся» планет означает, что около старых звезд с возрастом в несколько миллиардов лет их нет. Точнее, через миллиарды лет газовая оболочка горячего юпитера полностью сдувается, и на его месте остается маленькая железно-каменная планета — хтоническая планета (от греческого хтон — «земля, почва»). Возможно, хтонической является планета COROT-7b. Во-вторых, горячие юпитеры, похоже, встречаются только в системах, где есть вторая звезда, или мощные пульсации звезды поддерживают вокруг нее газопылевой диск — в общем, есть источник гравитационных возмущений, нестабильностей.

Во время миграции поближе к звезде гигантские планеты должны сбивать с орбит каменные планеты типа Земли: ведь, миграция проходит как раз через тот диапазон периодов и расстояний, где обитают Земля, Венера, Марс и Меркурий. На таких планетах меняется климат. Для жителей, если они успели возникнуть, это конец света. Похоже, нам повезло: Солнце — звезда одинокая и стабильная, поэтому миграций гигантских планет ближе к Солнцу, видимо, никогда не было. Итак, верна прежняя теория формирования звездно-планетных систем из вращающихся газопылевых облаков с сортировкой вещества звездным ветром, но с добавлением миграций планет. И насчет ресурсов вывод оптимистичный: нет миграций планет — значит, ресурсы, действительно, аккуратно «разложены по полочкам» Солнечной системы.

Метод нахождения экзопланет с помощью лучевых скоростей

Один из методов обнаружения экзопланет основан на эффекте Доплера: изменении частоты излучения при движении источника относительно наблюдателя. Собственно, звезды с экзопланетами, которые были открыты этим методом, являются разновидностью спектрально-двойных звезд типа SB1, когда в спектре виден набор спектральных линий только одной звезды. Стоит заметить, что утверждение «Земля летает вокруг Солнца» не совсем верно. На самом деле, Солнце, Земля и другие объекты Солнечной системы летают вокруг общего центра тяжести (он же — центр масс, или барицентр). Обычно центр масс Солнечной системы находится внутри Солнца; сильнее всех его смещает не Земля, а Юпитер, самая массивная планета. Любая неодинокая звезда относительно центра масс чуть-чуть смещается то в одну сторону, то в противоположную. Поэтому из-за эффекта Доплера спектральные линии смещаются то в красную (звезда летит от нас), то в синюю (звезда летит к нам) сторону спектра. Увидев это, можно сделать вывод, что центр масс не совпадает с геометрическим центром наблюдаемой нами звезды. Следовательно, одновременно со звездой вокруг центра масс летает невидимый объект.

По смещению линий можно вычислить разность скоростей звезды при ее движении к нам и от нас, в км/с. А зная массу звезды, можно вычислить и массу смещающего ее объекта. Затем, зная массу этого объекта (невидимого спутника звезды), его классифицируют как черную дыру (если масса больше примерно двух масс Солнца), нейтронную звезду (масса около 1,5 массы Солнца), белый карлик (масса около 0,6 массы Солнца), обычную звезду (от 0,08 до примерно 0,4 массы Солнца, более массивные звезды светят ярко и не кажутся невидимыми), коричневый карлик (масса от 13 масс Юпитера до 0,08 массы Солнца) и экзопланету (масса меньше 13 масс Юпитера). Кстати, этот переменный компонент скорости, направленный к или от наблюдателя, называется лучевой скоростью (скоростью вдоль луча зрения). Это дало название методу.

Чем массивнее невидимый спутник и чем ближе он к звезде, тем с большей скоростью он смещает звезду, и тем легче его обнаружить. Поэтому, методом лучевых скоростей преимущественно открываются близкие к звездам массивные планеты (еще чаще — звезды и коричневые карлики). Одна звезда смещает другую на километры в секунду, а планета — на метры в секунду. Параметр К = 5 м/с или 1 м/с и есть полуамплитуда изменения скорости звезды. Солнце под гравитационным влиянием Земли смещается относительно центра масс Солнечной системы со скоростью всего 10 см/с. Значит, чтобы обнаружить экзопланету типа Земли, мы должны увидеть периодические перемещения светящейся поверхности звезды со скоростью 10 см/с — а такие колебания случаются не только из-за планет. Любая подвижка земной коры, на которой располагается телескоп, например, из-за землетрясения или таяния снега, будет выглядеть как проявление экзопланеты. А так как снег тает с периодом год, такой же период получится и в движении ложной экзопланеты. «Нашли планету с периодом как у Земли» — сенсация! А на самом деле — всего лишь ошибка наблюдений. Именно поэтому при работе на существующем уровне точности астрономы все чаще «закрывают» экзопланеты, открытые прежде.

Метод нахождения экзопланет с помощью прохождений

Названия звезд, планет и остальных космических объектов находятся в ведении Международного астрономического союза (MAC, www.iau.org), который проводит конкурс по наименованию экзопланет: www.iau.org/news/pressreleases/detail/iaul 501 /. Пока они обозначаются буквами и цифрами из каталогов или, если звезда близка к нам, в названии планеты присутствует фамилия немецкого астронома Вильгельма Глизе (Gliese). В 1951 году он составил каталог близких к Солнцу звезд. Естественно, около них планеты искать плодотворнее. Мог ли простой ученый во времена, когда об открытии планет не особо и мечтали, занимаясь переписью близких звезд, подумать, что его имя будут произносить жители иных планет и штурманы космических кораблей?!

Наверно, еще меньше думал об экзопланетах другой немецкий астроном — Иоганн Кеплер. В честь него, тем не менее, назвали космический телескоп, который исследовал около 100000 звезд и открыл сотни экзопланет в небольшой области неба в созвездии Лебедя. В названии этих экзопланет — имя Кеплера и номер. Кстати, телескопом «Кеплер» собрано так много данных, что по ним экзопланеты открываются до сих пор, спустя два года после прекращения работы телескопа. Вы анализируете данные «Кеплера», присланные вам по интернету, и можете открыть новую экзопланету.

«Кеплер» искал планеты методом прохождений (или транзитов): когда перед звездой пробегает планета, свет звезды немного меркнет (звезда, планета и Земля оказываются точно на одной прямой). Определить характеристики экзопланеты по прохождению перед звездой — это как определить форму крыльев мотылька по угасанию фонаря, перед которым он пролетел. Причем мотылек и фонарь находятся в 10 км от вас!

Важно помнить, что причин для временного угасания света звезды много: например, она пульсирует, приближаясь к смерти, или вокруг звезды летает другая звезда и заслоняет ее, или на поверхности звезды есть темные пятна, как на Солнце, и они иногда проходят перед нами из-за вращения звезды. В каждом случае угасание идет по своему сценарию. И данные ложатся на свою кривую. Для описания этих кривых и слов-то не подобрать, а тем более формул, которые только и понимает компьютер. С человеком проще: астроном говорит — ищем такие кривые, а не такие и не такие — и показывает три картинки. И человеку все понятно! Поэтому при распознавании кривых человеческий глаз надежнее компьютера. 300 тысяч «охотников за планетами» уже проанализировали 12 миллионов наблюдений. Сделано 42 открытия, которые, тем не менее, нужно подтверждать на других телескопах.

Очевидно, что чем больше планета по размеру и чем чаще она проходит перед своей звездой, тем легче ее открыть методом прохождений.

Экзотические экзопланеты

Слово «экзопланета» прижилось благодаря явному намеку на экзотичность ЭКЗОпланет. Cуперземли (или сверхземли) — класс экзопланет, о существовании которого астрономы не подозревали до момента открытия. Суперземли массивнее Земли, но менее массивны, чем Уран (он в 14,6 раза массивнее Земли). Пока методы открытия таких планет позволяют находить их только ближе к своей звезде, чем Меркурий к Солнцу. То есть это очень горячие планеты, с температурой в сотни градусов. Видимо, многие, если не все, близкие к звезде суперземли являются упомянутыми ранее хтоническими планетами — твердыми ядрами «похудевших» горячих юпитеров. Зная размер и массу планеты, можно определить ее плотность. Например, плотность суперземли Кеплер- 10b равна 9 г/см3, а значит, планета состоит из железа (плотность 8 г/см3) с еще более тяжелыми, возможно, драгоценными примесями (есть и удивительно рыхлые планеты: горячий юпитер WASP-17 b имеет плотность 0,1 г/см3, т. е. в 13 раз менее плотный, чем Юпитер). Находясь рядом со звездой, Кеплер-10b имеет температуру 1600 °С и всегда повернут к звезде одной стороной, где находится океан расплавленного железа, как на планете Мустафар из «Звездных войн». Звезда Кеплер-10 — как Солнце и, вероятно, обладает мощным магнитным полем. На планете с расплавленным железом оно должно создавать магнитосферу, а светящиеся фонтаны расплавленного железа должны подниматься над одним полушарием планеты, течь вдоль линий магнитосферы и ниспадать на другое полушарие.

На разных этапах жизни звезда может расширяться, сжиматься и сбрасывать оболочку. Это задевает ее планеты. И если в оболочке звезды очень много какого-либо вещества, оно может «прилипнуть» к планете в невиданных объемах. Так могут возникать планеты-кремниевые чипы, планеты-алмазы (как планета PSR 11719—1438b плотностью 23 г/см3) и ядовитые планеты, когда вся планета представляет собой, например, одну большую каплю синильной кислоты. Но это хотя бы известные вещества. А планета ТrЕS-2b состоит из неизвестного: ее вещество столь черно, что отражает только 0,04 % света — сравните с сажей и углем, которые отражают 4 %.

Как близко к звезде и как далеко от нее планеты могут существовать? Недавно открытая планета Кеплер-78b расположена на рекордно близком расстоянии от своей звезды: в 40 раз ближе, чем Меркурий к Солнцу. И обращается вокруг своей звезды всего за 8,5 часа. Теоретически такая планета вроде бы не может существовать: ее должна разрушить приливная сила. Представьте: каменный колобок размером с Землю фактически «катается» аж по поверхности звезды! И хорошо прожаривается: температура поверхности звезды

5 000 °С, а температура планеты — 3 000 °С. И каменная она только в том смысле, что, будь она холоднее, была бы твердой, а так — это сплошное море лавы и даже раскаленного тумана из газообразного железа, алюминия и кремния. Тут-то и кроется ответ на вопрос, как планета выживает. Жидко-газообразная планета может выжить ближе к звезде, чем твердая. Но вещество она теряет. Огненные струи должны течь от планеты к звезде. По материалам: Телескоп №36

  1. Последние
  2. Популярные
Загрузка...

Новости технологий сегодня

Наш сайт посвящен новостям в сфере высоких технологий, а также инноваций в мире интернета, автопромышленности.

Представлены материалы по развитию технологических компаний и стартапов. Интересным будет информация по настройке и хакингу гаджетов и устройств на Android, Apple iOS и прочее. Покажем как правильно выбирать устройства для покупок.

В процессе наших экспериментов с сайтами по оптимизации и настройке, в рубрике Вебмастер Мы делимся своим опытом в том как создать свой сайт на популярных платформах Joomla, Wordpress, настроить его и оптимизировать.

Самые популярные метки