25 января 2016

Экзопланеты: как их открывают и изучают

Новости

Если у кого-то что-то и ассоциируется со словом «экзопланета», то обычно это что-то вроде «планета, похожая на Землю». На самом деле экзопланета — это просто любая планета за пределами нашей Солнечной системы.

Экзопланеты: как их открывают и изучают

Что такое экзопланета

Для того чтобы некое небесное тело можно было считать планетой, оно должно удовлетворять трем требованиям. Во-первых, оно должно вращаться вокруг звезды (вокруг Солнца, а если вокруг другой звезды — это как раз таки будет экзопланета). Но на примере нашей Солнечной системы мы знаем, что вокруг Солнца вращается еще много чего — например, пояс метеоритов.

Поэтому добавляем во-вторых: масса планеты должна быть меньше массы звезды (то есть там не должны идти самоиндуцированные термоядерные реакции), но больше массы астероида, иначе собственной гравитации будет недостаточно для того, чтобы небесное тело стало округлым.

Наконец, в-третьих, вблизи орбиты планеты должно быть пространство, свободное от других тел. Именно из-за этого Плутон в 2006 году разжаловали из планет в карликовые планеты — рядом с его орбитой много похожих тел, просто Плутон — одно из самых больших.

Несмотря на то что звезд на небе очень много и по аналогии с Солнечной системой может показаться, что вокруг них должно быть полно экзопланет, сейчас науке известно всего лишь чуть более 2000 объектов такого рода. Да и вообще наука начала заниматься ими удивительно недавно — около 20 лет назад.

Хотя сложно сказать, в каком именно году открыли первую экзопланету. Можно считать, что в 1995-м — именно тогда швейцарские ученые Майор и Келос с точностью доказали, что на орбите звезды Peg 51 есть планета, напоминающая Юпитер. В 1993-м польский астроном Александр Вольщан обнаружил что-то вроде экзопланеты возле нейтронной звезды, но поскольку нейтронная звезда — не совсем звезда, то и найденный объект нельзя в полной мере считать экзопланетой.

В 1989 году была обнаружена сверхмассивная то ли экзопланета, то ли коричневый карлик (тут пока нет определенности), но ее существование подтвердили только в 1999-м. Ну а в 1988-м была найдена экзопланета в созвездии Цефея, но то, что это действительно планета, было подтверждено только в 2002-м.

В общем, область молодая, поэтому сейчас ученые активно занимаются поиском и изучением экзопланет. И искать их можно несколькими способами.

Как ищут экзопланеты

Первый вариант — следить за движением звезды. Дело в том, что звезда и планета взаимодействуют между собой. То есть не планета вращается вокруг звезды, а на самом деле вся эта система вращается вокруг своего центра масс, расположенного где-то поблизости от центра звезды.

Планета слишком мала, чтобы с Земли или находящихся неподалеку спутников можно было бы измерять какие-либо ее параметры, а вот спектр свечения звезды получить можно. Ну а поскольку звезда, как мы только что выяснили, движется, в этом спектре будет наблюдаться доплеровский сдвиг — если его изолировать и измерять в течение достаточно продолжительного времени, можно получить период вращения звезды. Ну а оценив массу звезды и зная период вращения, можно получить массу планеты. Вуаля, мы открыли экзопланету! В общем-то, примерно половина известных экзопланет была открыта именно так.

Более простой на словах, но более сложный на деле способ — пронаблюдать прохождение планеты по диску звезды. Если расположить телескоп в предполагаемой плоскости орбиты планеты, рано или поздно мы заметим, что свечение звезды станет чуть слабее из-за ее частичного затмения планетой.

Проблема в том, что характерное значение падения блеска звезды в этом случае — примерно 0,0002%. То есть, во-первых, нужны очень высокоточные приборы. А во-вторых, как известно, на звезде бывают пятна, которые при таком способе измерений легко принять за искомую планету. Ну и в-третьих, между телескопом и звездой попросту мог пролетать космический мусор, частично затмив ее, и это тоже нужно не принять за планету.

Экзопланеты: как их открывают и изучают

Еще один способ называется микролинзированием. Согласно современной теории гравитации, тела искажают пространство вокруг себя, и чем массивнее тело, тем больше эти искажения. В результате, если между наблюдателем и исследуемым небесным телом пролетает некий массивный объект, из-за искажения можно наблюдать усиление свечения исследуемого тела — этакую вспышку.

Но видно ее, только если объект-линза светится достаточно слабо. То, что ситуация будет удовлетворять всем этим условиям, — событие маловероятное, так что следить надо сразу за многими звездами: вдруг с какой-то это произойдет? Это стало возможным с появлением ПЗС-матриц с большим количеством пикселей.

Микролинзирование удобно по двум причинам. Во-первых, это самый надежный способ. Во-вторых, для того, чтобы обнаружить экзопланету при помощи микролинзирования, не нужно находиться в плоскости орбиты этой планеты.

Четвертый способ может выглядеть немного курьезно, тем не менее он работает — это определение наличия планеты по так называемому таймингу. Идея вот в чем: если вы наблюдаете какой-то циклический процесс с участием небесных тел, но его цикл почему-то сбивается, значит, в процессе принимает участие еще какое-то небесное тело, которое влияет на этот цикл. Вполне возможно, что это экзопланета. Таким образом можно открывать экзопланеты возле двойных звезд или пульсаров — систем с хорошо прослеживаемыми циклами.

Еще пара способов, значительно менее распространенных, — это измерение точного местоположения звезды и непосредственное наблюдение экзопланет на снимках, сделанных телескопами.

Зачем ищут экзопланеты

Почему люди ищут и исследуют экзопланеты, в общем-то, вполне понятно. Человечество с незапамятных времен привлекал космос, и, как только оно могло начать изучение каких-либо новых космических объектов, оно без промедления начинало. Так было со звездами, со Вселенной целиком, так же вышло и с планетами.

Экзопланеты: как их открывают и изучают

Ну и конечно, людей всегда интересовал вопрос существования жизни где-то помимо Земли. Так где же ей существовать, если не на экзопланетах? Собственно, многие потому и ассоциируют слово «экзопланета» с «планетой, похожей на Землю», — самое громкое освещение в новостях получают открытия экзопланет, расположенных в так называемой обитаемой зоне. То есть там, где не слишком горячо и не слишком холодно для существования жизни, основанной на воде.

«Не слишком горячо и не слишком холодно» задает некий диапазон расстояний до звезды, вокруг которой обращается экзопланета. Если удается получить спектр отражения этой экзопланеты, можно узнать, есть ли на ней вода. Правда, пока это получается только предполагать исходя из параметров планеты.

Например, не так давно телескопом Kepler на границе созвездий Лебедя и Лиры была открыта экзопланета Kepler-452b, которую в NASA на радостях окрестили Новой Землей.

Звезда, вокруг которой вращается Kepler-452b, всего на 10% тяжелее Солнца, период обращения вокруг нее открытой экзопланеты составляет 385 суток, а траектория ее движения совпадает с орбитой Земли. Kepler-452b имеет твердую поверхность, а ее масса на 60% больше массы нашей планеты. То есть она действительно в достаточной мере похожа на Землю.

Вот только находится она от нас на расстоянии 1400 световых лет. Для сравнения: ближайшая к нам звезда (кроме Солнца) расположена на расстоянии 4,2 светового года. Но выяснить, есть ли жизнь на Kepler-452b, все равно интересно. Вдруг действительно есть?