Экзопланеты: Terra Incognita космической эры

Суперземли в зонах обитаемости
Суперземли в зонах обитаемости. Слева направо: Кеплер-22б, Кеплер-69c, Кеплер-62e, Кеплер-62f и Земля. NASA/Ames/JPL-Caltech / wikimedia.org (CC0 1.0)

Человечество довольно рано догадалось, что в небе есть звезды, и их очень много. Затем эта мысль дополнилась рассуждением, что звезды похожи на наше Солнце или когда-то были похожи. Затем стало понятно, что Земля и прочие планеты вращаются вокруг Солнца, и возникает резонный вопрос: «А почему вокруг остальных звезд не могут вращаться планеты?» Теория не видела в возможном существовании планет за пределами Солнечной системы никаких проблем, но науке всегда нужны факты. И со временем факты нашлись.


 

Экзопланета

Что такое экзопланета? Все просто до безобразия – это планета за пределами Солнечной системы, которая вращается вокруг звезды. Термин был образован от сокращения extra solar planet, то есть внесолнечная планета. Но не стоит путать: не все, что за пределами Солнечной системы, – это экзопланета, есть еще и небесные тела – сироты, так называемые планемо, которые путешествуют по космосу вне орбиты материнской звезды.

Какие бывают экзопланеты? Они бывают очень разные. Космический телескоп Кеплер наблюдал всего два созвездия – Лебедь и Лиру – в течение 8 лет, но обнаружил около тысячи кандидатов в экзопланеты. А созвездий у нас 88, да и в этих двух еще есть что открывать.

Таким образом, экзопланет много, и они разные. Способы обнаружения, о котороых мы поговорим позже, не дают нам с точностью определить состав, атмосферу и природу открытых планет. Что уж говорить, мы не можем даже непосредственно увидеть экзопланету. Но даже через косвенные признаки и данные можно составить классификацию.

Два главных класса экзопланет – маленькие каменные планеты и планеты-гиганты. Если применить эту классификацию к нашей Солнечной системе, то к первым пойдут Венера, Меркурий, Земля и Марс, а ко вторым – Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун.

Каждый из классов можно разделить на целый ряд подклассов. Разберем самые основные.

Хтоническая планета

Художественное изображение транзита хтонической планеты HD 209458b перед своей звездой.
Художественное изображение транзита хтонической планеты HD 209458b перед своей звездой. European Space Agency, Alfred Vidal-Madjar (Institut d’Astrophysique de Paris, CNRS, France) and NASA / wikimedia.org (CC BY 4.0)

Хтоническая планета – это газовый гигант, стремительно падающий на материнскую звезду. В центре у газового гиганта находится маленькое плотное ядрышко, которое удерживает вокруг себя огромные массы газообразного вещества. Постепенно приближаясь к материнской звезде, газовый гигант начинает испарять свою оболочку, пока не остается одно ядро.

Сверхземли

Глизе 581с
Глизе 581с
Tyrogthekreeper / wikimedia.org (CC BY-SA 3.0)

Главный и единственный критерий, по которому можно причислить планету к сверхземле, – это ее масса. Такие планеты обычно тяжелее Земли в разы, но при этом сильно меньше газового гиганта. В отличие от хтонических планет, таких небесных тел обнаружено довольно много, причем в 2007 году астрономы нашли сверхземлю Глизе 581-с в зоне обитаемости.

Горячий юпитер

Название всем известной планеты написано с маленькой буквы не по ошибке, горячий юпитер – это не конкретная планета, а целый планетарный класс. В отличие от нашего газового гиганта, горячие юпитеры располагаются почти вплотную к материнской звезде, которая разогревает их атмосферу до 1500 К. Из-за ряда особенностей, в частности, большого размера, горячих юпитеров обнаружено очень много.

Холодный юпитер

Именно к этому классу относится оригнальный Юпитер и Сатурн – холодный юпитер находится на таком расстоянии от звезды, что большую часть своего тепла он получает от внутренних процессов, а не от излучения.

Ледяной гигант

Нептун ледяной гигант
Изображение Нептуна, полученное Вояджером-2 в августе 1989 года. NASA / wikimedia.org (CC0 1.0)

Такие планеты тоже есть у нас в системе: Уран и Нептун типичные представители ледяных гигантов – планет с большим размером и удалением от родной звезды. В силу того, что лучи слабо обогревают такие планеты, почти вся их поверхность скована льдами, причем не только водяными, но и метановыми и сероводородными.

Список видов экзопланет можно продолжать еще очень долго. Есть и планеты-океаны, и углеродные планеты, и горячие с холодными нептуны, и многое, многое другое. Но мы поговорим о том, как их обнаруживают.

Способы обнаружения экзопланет

Проведем простой эксперимент. Как-нибудь, в теплую летнюю ночь, желательно, на юге, причем возле Экватора, поднимите глаза к ночному небу. Что вы увидите? Все верно, мириады звезд. Разных звезд – ярких и не очень, одиночных и в созвездиях. Но практически все, кроме Меркурия, Юпитера, Луны и, может быть, Марса, будут звездами.

Точно так же дела обстоят и с гигантскими телескопами в обсерваториях. Звезды, благодаря своим размерам и излучению, практически полностью забивают все обозримое пространство космоса, и планеты, которые светятся очень слабым, отраженным светом, просто не видны на их фоне. Так что если и есть где-то цивилизация нашего уровня развития, то она, скорее всего, догадывается о наличии Юпитера и Сатурна возле Солнца, но не более.

Но экзопланеты находятся, и весьма достоверно. Для этого у нас есть несколько способов.

Самый плодовитый – транзитный, или метод транзитной фотометрии. Дело в том, что у каждой звезды есть такой показатель, как светимость. Грубо говоря, светимость – это весь свет, излучаемый звездой в единицу времени. Но если между телескопом наблюдателя и звездой проходит какое-то небесное тело, то на момент прохождения светимость падает. И если этот процесс повторяется периодически, то значит – вокруг звезды вращается планета. У этого способа есть плюсы и минусы. Главный плюс – возможность определения размеров экзопланеты. Минус – чтобы с точностью определить наличие планеты с большим периодом обращения, например, как Юпитер (12 лет), придется наблюдать за звездой очень долго.

Метод Доплера. Названый в честь австрийского математика Кристиана Доплера, этот метод заключается в измерении спектрального смещения звезды под влиянием планеты. Законы тяготения работают в обе стороны, и на нас в том числе, поэтому не только Земля притягивает нас, но и мы Землю. Так же и в паре планета – звезда. Вращение массивной экзопланеты смещает лучевую радиальную скорость материнской звезды, и на приборах видно, как планета раскачивается то в красную область спектра, то в фиолетовую. Метод Доплера позволяет, вместе с транзитным, определить плотность планеты, но опять же – только если она достаточно большая.

Гравитационное микролинзирование. Этот способ завязан на наличии между телескопом астронома и наблюдаемой звездой еще одной звезды, которая работает как гравитационная линза. Но если у звезды-линзы есть собственная планета, то свет наблюдаемой звезды будет характерно искажен.

Ну и наконец, экзопланету можно просто-напросто увидеть. Сами по себе планеты – очень слабые источники света, так что небесные тела земного типа обнаружить таким методом очень сложно. Наиболее вероятные объекты, которые можно обнаружить, – гиганты, размерами больше Юпитера, которые достаточно удалены от звезды, и сами по себе испускают лучи инфракрасного спектра.

До 2014 года лидерство по количеству открытых экзопланет делили между собой метод Доплера, или метод радиальных скоростей, и транзитный метод. В 2014 году, благодаря флагману поиска экзопланет – телескопу Кеплер, транзитный метод ушел далеко вперед.

Интересный факт: информация, полученная Кеплером, столь обширна, что ее в свободном доступе предоставляют для изучения всем желающим. Так, проект Planet Hunters помог обнаружить уже три экзопланеты.

Возможность жизни и перспективы колонизации

колонизация экзопланет
Forplayday / bigstock.com

Естественно, обывателей в меньшей степени интересуют горячие нептуны и методы обнаружения экзопланет. Главный интерес публики – возможность жизни и колонизации далеких небесных тел.

Всего на июнь 2017 года открыто 3614 экзопланет. Из них напоминают Землю – 216. Вполне есть из чего выбрать. Но предположительная колонизация и возможность существования жизни ограничена целым рядом параметров.

Зона обитаемости

Привыкшие все мерить по себе, земные астрономы вывели концепцию зоны обитаемости. Суть концепции в том, что у каждой звезды должна быть определенная зона, планеты в которой могут быть обитаемы.

Главное условие зоны обитаемости – существование воды в жидком виде. Поэтому планета должна быть достаточно близко к звезде, чтобы вода не замерзала, и достаточно далеко, чтобы не испарялась. Для вычисления центра обитаемой зоны даже выведено уравнение, которое выглядит как dAU=√Lstar/Lsun, где d – средний радиус обитаемой зоны, Lstar – светимость звезды, а Lsun – светимость Солнца.

Всего в списке пригодных для жизни экзопланет, по рейтингу Университета Пуэрто-Рико, 52 планеты. Одна из них – миниземля TRAPPIST – 1d, 21 планета, сопоставимая с Землей, и 30 суперземель.

Основные критерии – состав планеты, температура поверхности, размеры и атмосфера. Планеты оцениваются по степени схожести с Землей, и даже выведен специальный числовой критерий, который складывается из всего вышеуказанного. Если планета набирает от 0,8 до 1 по индексу подобия Земле, то ее смело можно заносить в список потенциальных колоний. Итак, выбирайте себе по вкусу, господа колонисты!

Kepler-438b

Был рекордсменом по схожести с Землей до 2016 года. Его ESI (Earth Similarity Index) – 0.88. Сама планета находится в 470 световых годах от Земли в созвездии Лиры, причем родительская звезда у Kepler-438b всего лишь в два раза меньше Солнца. Сама планета находится в обитаемой зоне звезды, по размерам превышает Землю на 12%.

Проксима Центавра b

Родная звезда этой планеты – Проксима Центавра, самая близкая к Солнцу. Сама планета, как и светило, расположена в 4,22 световых года от нас. По индексу схожести Проксима Центавра набирает 0.85 и уверенно держится в топе.

TRAPPIST-1 d

На данный момент планета TRAPPIST, обнаруженная телескопом, больше всех прочих похожа на нашу родную Землю. Она также третья от своей материнской звезды, чуть уступает Земле по размерам и очень близка по составу. Предположительная температура поверхности – +15 градусов по Цельсию.

К сожалению, наличие подходящих планет для колонизации – далеко не самый главный барьер на пути заселения человеком Вселенной. Даже до Проксима Центавры b при нынешних технологиях потенциальным колонистам лететь очень и очень долго. И пока мы не научимся эффективно преодолевать расстояния хотя бы в 10 световых лет, о покорении экзопланет говорить рано.

Вариаций экзопланет еще очень много. Но самые большие открытия ждут нас впереди – на Земле уже сейчас подготавливаются амбициозные международные проекты по созданию гигантских телескопов и космических обсерваторий, которые будут способны видеть то, что мы не можем обнаружить сейчас. А ведь я еще не упомянул, что у экзопланет есть спутники.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Войти с помощью