Экзопланеты: миры за пределами нашей солнечной системы

Самой молодой из обнаруженных экзопланет меньше 1 миллиона лет.

Возраст самой молодой из обнаруженных экзопланет составляет менее 1 миллиона лет, и она вращается вокруг Коку Тау 4, звезды на расстоянии 420 световых лет от нас. Астрономы определили присутствие планеты по огромной дыре в пыльном диске, опоясывающем звезду. Дыра в 10 раз превышает размер орбиты Земли вокруг Солнца и, вероятно, образована из-за того, что планета очищает пространство в пыли, когда вращается вокруг звезды. (Изображение предоставлено НАСА)





Экзопланеты - это планеты за пределами нашей солнечной системы. Тысячи были обнаружены за последние два десятилетия, в основном с помощью космического телескопа НАСА Кеплер.

Эти миры бывают самых разных размеров и орбит. Некоторые из них представляют собой гигантские планеты, прилегающие к своим родительским звездам; другие ледяные, некоторые каменистые. НАСА и другие агентства ищут особый вид планеты: такую ​​же по размеру, как Землю, вращающуюся вокруг звезды, похожей на Солнце, в обитаемой зоне.

Обитаемая зона - это диапазон расстояний от звезды, где температура планеты допускает наличие океанов с жидкой водой, что имеет решающее значение для жизни на Земле. Самое раннее определение зоны было основано на простом тепловом равновесии, но текущие расчеты обитаемой зоны включают многие другие факторы, включая парниковый эффект атмосферы планеты. Это делает границы обитаемой зоны «нечеткими».



В августе 2016 года астрономы объявили, что, возможно, нашли такую планета на орбите Проксимы Центавра . Исследователи заявили, что недавно обретенный мир, известный как Проксима b, примерно в 1,3 раза массивнее Земли, что говорит о том, что экзопланета представляет собой каменистый мир. Планета тоже находится в звездном жилая зона , всего в 4,7 миллиона миль (7,5 миллиона километров) от звезды-хозяина. Он совершает один оборот каждые 11,2 земных дня. В результате, вероятно, что экзопланета заблокирована приливом, то есть она всегда показывает одно и то же лицо своей родительской звезде, так же как Луна показывает только одно лицо (ближнюю сторону) к Земле.

Большинство экзопланет было обнаружено космическим телескопом Кеплера, обсерваторией, которая начала работу в 2009 году и, как ожидается, завершит свою миссию в 2018 году, когда у нее закончится топливо. По состоянию на середину марта 2018 г. Кеплер открыл 2342 подтвержденные экзопланеты и обнаружил существование, возможно, еще 2245 других. Общее количество планет, открытых всеми обсерваториями, составляет 3706.

Ранние открытия

Хотя наличие экзопланет не было подтверждено до 1990-х годов, за много лет до этого астрономы были уверены, что они существуют. Это было не просто принятие желаемого за действительное, а из-за того, как медленно вращается наше собственное Солнце и другие подобные ему звезды, - сказала guesswhozoo.com астрофизик из Университета Британской Колумбии Джейми Мэтьюз. Мэтьюз, исследователь миссии случайного наблюдателя телескопа экзопланет MOST (микровариабельность и колебания звезд), принимал участие в некоторых из первых открытий экзопланет.



У астрономов была своя история происхождения нашей Солнечной системы. Проще говоря, вращающееся облако газа и пыли (называемое протосолнечной туманностью) схлопнулось под действием собственной силы тяжести и образовало Солнце и планеты. Когда облако схлопывалось, сохранение углового момента означало, что солнце, которое вскоре должно было стать Солнцем, должно было вращаться все быстрее и быстрее. Но, хотя Солнце содержит 99,8% массы Солнечной системы, планеты обладают 96% углового момента. Астрономы задались вопросом, почему Солнце вращается так медленно.

У молодого Солнца было очень сильное магнитное поле, силовые линии которого доходили бы до диска закрученного газа, из которого должны были образоваться планеты. Эти силовые линии связаны с заряженными частицами в газе и действуют как якоря, замедляя вращение формирующегося Солнца и раскручивая газ, который в конечном итоге превратится в планеты. Большинство звезд, таких как Солнце, вращаются медленно, поэтому астрономы пришли к выводу, что для них произошло такое же «магнитное торможение», а это означает, что формирование планет должно было происходить для них. Вывод: планеты должны быть обычными вокруг звезд, похожих на Солнце.

По этой и другим причинам астрономы сначала ограничили свои поиски экзопланет звездами, похожими на Солнце, но первые два открытия были связаны с пульсаром (быстро вращающийся труп звезды, которая умерла как сверхновая), называемой PSR 1257 + 12. 1992. Первым подтвержденным открытием мира, вращающегося вокруг звезды, похожей на Солнце, в 1995 году было 51 Pegasi b - планета массой Юпитера в 20 раз ближе к своему Солнцу, чем мы к нашему. Это было сюрпризом. Но семь лет назад всплыла еще одна странность, которая намекала на богатство грядущих экзопланет.



Канадская группа открыла планету размером с Юпитер вокруг Gamma Cephei в 1988 году, но поскольку ее орбита была намного меньше орбиты Юпитера, ученые не заявили об окончательном обнаружении планеты. «Мы не ожидали таких планет. Она настолько отличалась от планеты в нашей солнечной системе, что они были осторожны », - сказал Мэтьюз.

Большинство первых открытий экзопланет были огромными газовыми гигантами размером с Юпитер (или больше), вращающимися вокруг своих родительских звезд. Это потому, что астрономы полагались на метод лучевых скоростей, который измеряет, насколько звезда «качается», когда планета или планеты вращаются вокруг нее. Эти большие планеты, сближающиеся, оказывают соответственно большое влияние на свою родительскую звезду, вызывая колебание, которое легче обнаружить.

До эры открытий экзопланет инструменты могли измерять движение звезд только со скоростью до километра в секунду, что было слишком неточно, чтобы обнаружить колебание, вызванное планетой. По словам Мэтьюза, некоторые инструменты могут измерять скорость до сантиметра в секунду. «Отчасти из-за лучшего оснащения, но также потому, что астрономы теперь более опытны в извлечении тонких сигналов из данных».

Кеплер, ТЕСС и другие обсерватории

Кеплер запущен в 2009 году в основной миссии по наблюдению за регионом в созвездии Лебедя. «Кеплер» выполнял эту миссию в течение четырех лет - вдвое больше, чем начальный срок ее службы - до тех пор, пока большая часть его реактивных колес (указывающих устройств) не вышла из строя. Затем НАСА отправило Кеплера в новую миссию под названием K2, в которой Кеплер использует давление солнечного ветра для сохранения своего положения в космосе. Обсерватория периодически переключает поле зрения, чтобы избежать попадания солнечных лучей. Темпы открытия планет Кеплера замедлились после перехода на K2, но с помощью нового метода все еще находят сотни экзопланет. Согласно последним данным, опубликованным в феврале 2018 года, было 95 новых планет.

Инфографика Чужих миров 20

Плакат с инфографикой инопланетных миров 20х60 футов. Купить здесь (Изображение предоставлено: Магазин guesswhozoo.com)

Кеплер обнаружил изобилие различных типов планет. Помимо газовых гигантов и планет земной группы, он помог определить совершенно новый класс, известный как « суперземли ': планеты размером между Землей и Нептуном. Некоторые из них находятся в обитаемых зонах своих звезд, но астробиологи возвращаются к чертежной доске, чтобы рассмотреть, как жизнь могла бы развиваться в таких мирах. Наблюдения Кеплера показали, что суперземли в изобилии в нашей Вселенной. (Как ни странно, наша Солнечная система, похоже, не содержит планеты такого размера, хотя некоторые полагают, что большая планета по прозвищу «Девятая планета» может скрываться за пределами Солнечной системы.)

Основным методом поиска планет Кеплер является метод «транзита». Кеплер следит за светом звезды. Если свет тускнеет с регулярными и предсказуемыми интервалами, это говорит о том, что планета проходит по лицевой стороне звезды. В 2014 году астрономы Кеплера (включая бывшего ученика Мэтьюза Джейсона Роу) представили новый метод «проверки множественности», который увеличил скорость, с которой астрономы продвигают планеты-кандидаты в подтвержденные планеты. Этот метод основан на орбитальной стабильности - многие прохождения звезды с короткими периодами могут происходить только из-за планет на малых орбитах, поскольку множество затменных звезд, которые могут имитировать, гравитационно выталкивают друг друга из системы всего за несколько миллионов лет.

По мере того, как Kepler завершает свою миссию, весной 2018 года ожидается запуск новой обсерватории под названием Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS). TESS будет вращаться вокруг Земли каждые 13,7 дней и будет выполнять съемку всего неба в течение двух лет. Он будет обследовать южное полушарие в первый год и северное полушарие (которое включает исходное поле Кеплера) во второй год. Ожидается, что обсерватория откроет еще много экзопланет, в том числе по крайней мере 50 экзопланет размером с Землю.

Другие известные обсерватории для охоты за планетами (в прошлом и в настоящее время) включают:

  • Спектограф HARPS на 3,6-метровом телескопе Европейской южной обсерватории La Silla в Чили, первый свет которого был в 2003 году. Этот инструмент предназначен для наблюдения за колебаниями, которые планета вызывает при вращении звезды. HARPS обнаружил более 100 экзопланет и регулярно используется для подтверждения наблюдений Кеплера и других обсерваторий.
  • Канадский телескоп «Микропеременность и осцилляции звезд» (MOST), наблюдения за которым начались в 2003 году. MOST предназначен для наблюдения за астросейсмологией звезд или звездными землетрясениями. Но он также участвовал в открытиях экзопланет, таких как обнаружение экзопланеты 55 Cancri e.
  • CoRoT Французского космического агентства, работавшая в период с 2006 по 2012 год. Она обнаружила несколько десятков подтвержденных планет, в том числе COROT-7b - первую экзопланету, которая имела преимущественно рок или металлический состав.
  • Космические телескопы НАСА / Европейского космического агентства 'Хаббл' и НАСА 'Спитцер', которые периодически наблюдают планеты в видимом или инфракрасном диапазонах волн соответственно. (Более подробная информация об атмосфере планеты доступна в инфракрасном диапазоне.)
  • Европейский спутник ExOPlanets (CHEOPS), который, как ожидается, будет готов к запуску в 2018 году. Миссия предназначена для точного расчета диаметра планет, особенно тех планет, которые находятся между массами суперземли и Нептуна.
  • Космический телескоп NASA James Webb, запуск которого ожидается в 2020 году. Он специализируется на наблюдениях в инфракрасном диапазоне длин волн. Ожидается, что мощная обсерватория позволит больше узнать об обитаемости атмосфер некоторых экзопланет.
  • Телескоп ПЛАТОННЫХ транзитов и колебаний звезд (PLATO) Европейского космического агентства, запуск которого ожидается в 2024 году. Он предназначен для изучения того, как формируются планеты и какие условия, если таковые имеются, могут быть благоприятными для жизни.
  • Миссия ESA ARIEL (Атмосферное дистанционное зондирование инфракрасной экзопланеты), запуск которой состоится в середине 2028 года. Ожидается, что будет наблюдаться 1000 экзопланет, а также будет проведено исследование химического состава их атмосфер.

Диаграмма, показывающая относительные размеры новых чужеродных планет, открытых Кеплером, по сравнению с Землей и Юпитером.

Диаграмма, показывающая относительные размеры новых чужеродных планет, открытых Кеплером, по сравнению с Землей и Юпитером.(Изображение предоставлено НАСА / Тим Пайл)

Известные экзопланеты

Имея тысячи на выбор, трудно сузить несколько. Маленькие твердые планеты в обитаемой зоне автоматически выделяются, но Мэтьюз выделил пять других экзопланет, которые расширили наши представления о том, как планеты образуются и развиваются:

  • 51 Pegasi b: Как упоминалось ранее, это была первая планета, которая была подтверждена вокруг звезды, похожей на Солнце. Он составляет половину массы Юпитера и вращается вокруг своего Солнца примерно на расстоянии Меркурия от нашего Солнца. 51 Pegasi b настолько близок к своей родительской звезде, что, вероятно, заблокирован приливом, то есть одна сторона всегда обращена к звезде.
  • HD 209458 b: Это была первая планета, обнаруженная (в 1999 году), проходящая через свою звезду (хотя она была обнаружена с помощью метода доплеровского колебания), и в последующие годы накапливались новые открытия. Это была первая планета за пределами Солнечной системы, для которой мы смогли определить аспекты ее атмосферы, включая температурный профиль и отсутствие облаков. (Мэтьюз участвовал в некоторых наблюдениях с использованием MOST.)
  • 55 Рак от: Эта супер-Земля вращается вокруг звезды, достаточно яркой, чтобы ее можно было увидеть невооруженным глазом, а это означает, что астрономы могут изучать систему более подробно, чем почти любая другая. Его «год» длится всего 17 часов 41 минуту (это можно понять, когда MOST рассматривал систему в течение двух недель в 2011 году). Теоретики предполагают, что планета может быть богата углеродом с алмазным ядром.
  • HD 80606 b: На момент открытия в 2001 году она считалась самой эксцентричной из когда-либо обнаруженных экзопланет. Не исключено, что его нечетная орбита (похожая на комету Галлея вокруг Солнца) может быть связана с влиянием другой звезды. Его крайняя орбита сделает окружающую среду планеты чрезвычайно изменчивой.
  • WASP-33b: Эта планета была открыта в 2011 году и имеет своего рода «солнцезащитный» слой - стратосферу, - которая поглощает часть видимого и ультрафиолетового света от своей родительской звезды. Эта планета не только вращается вокруг своей звезды «в обратном направлении», но также вызывает колебания звезды, видимые спутником MOST.