 рис. Экзопланета
Внесолнечная планета или экзопланета, - так называется любое планетарное тело, которое находится вне Солнечной системы и которое обычно вращается вокруг звезды, отличной от Солнца. Первые внесолнечные планеты были обнаружены в 1992 году. На данный момент открыто более 3000 экзопланет, и более 1000 ждут дальнейшего подтверждения.
Методы обнаружения экзопланет
Поскольку планеты намного тусклее, чем звезды, вокруг которых они вращаются, внесолнечные планеты чрезвычайно трудно обнаружить методом прямых наблюдений. Безусловно, наиболее удачной методикой поиска и изучения экзопланет считается метод измерения радиальных скоростей (метод Доплера), который измеряет движение звезд-хозяев в ответ на гравитационное взаимодействие с их планетами. Первая экзопланета, обнаруженная этим методом в 1995 году, называется 51 Pegasi b. Измерения радиальной скорости определяют размеры и формы орбит внесолнечных планет, а также нижние пределы их масс. Метод предоставляет данные только о нижних пределах массы планеты, так как измеряется только часть движения звезды к Земле и от нее.
Дополнительной техникой является метод транзитной фотометрии, который основан на измерении падения светимости звезд, вызванного планетами, орбиты которых ориентированы в пространстве таким образом, что они периодически проходят между их звездами и наблюдателем с Земли. Транзитные наблюдения показывают размеры планет, а также их орбитальные периоды. Данные радиальной скорости могут быть объединены с измерениями транзита, чтобы получить точные планетарные массы, а также плотности проходящих планет и тем самым отобрать возможные материалы, из которых состоят планеты. Спектроскопические исследования, основанные на транзитном методе, были использованы для идентификации газов, таких как водород и метан, в верхних атмосферах некоторых ближайших планет-гигантов. Первой обнаруженной транзитным методом экзопланетой была HD209458b в 1999 году. Как метод Доплера, так и транзитный метод наиболее чувствительны к большим планетам, вращающимся вокруг своих звезд.
 рис. Внесолнечная планетная система Kepler20
Три других метода, с помощью которых можно обнаружить внесолнечные планеты, - это метод периодических пульсаций, гравитационное микролинзирование и прямое наблюдение. Временная диаграмма пульсации измеряет изменение расстояния между источником сигнала и телескопом, используя фиксацию времени прихода сигналов, периодически излучаемых источником. Когда источником является пульсар (вращающаяся, намагниченная нейтронная звезда), данная технология может обнаруживать движения планеты, масса которой столь же мала, как и масса Земли, тогда как вокруг пульсирующих нормальных звезд могут быть обнаружены только планеты-гиганты. Первые экзопланеты вокруг пульсара PSR 1257 + 12 были обнаружены в 1992 году при помощи этого метода.
Микролинзирование опирается на измерения гравитационного изгиба света (предсказанного общей теорией относительности Альберта Эйнштейна) от отдаленного источника, вызванного промежуточной звездой и ее планетами. Эта техника наиболее чувствительна к массивным планетам, вращающимся в сотнях миллионов километров от своей звезды, а также была использована для обнаружения популяции дрейфующих планет-гигантов, которые не вращаются вокруг какой-либо звезды.
Прямое наблюдение может быть выполнено с использованием звездного света, отраженного от планеты, или теплового инфракрасного излучения, испускаемого планетой. Прямые наблюдения лучше всего подходят для планет, вращающихся вокруг ближайших к Солнцу звезд, причем инфракрасные наблюдения особенно чувствительны к молодым массивным планетам, которые вращаются далеко от своей звезды.
Физические свойства экзопланет
От 5 до 10 процентов исследованных звезд имеют планеты, по крайней мере в 100 раз более массивные, чем Земля, с орбитальными периодами в несколько земных лет или меньше. Почти 1% звезд имеют такие планеты-гиганты на очень близких орбитах, орбитальные периоды которых меньше одной земной недели. Некоторые из этих планет кажутся растянутыми в размерах в результате нагревания их звездами. Более 20 процентов звезд имеют несколько меньшие близлежащие планеты с размерами от нескольких до нескольких десятков масс Земли и с орбитальными периодами менее трех месяцев.
Самые массивные планеты, которые вращаются вокруг своих звезд, сделаны в основном из двух самых легких элементов - водорода и гелия, также как Солнце и две его самых больших планеты - Юпитер и Сатурн. Термин «Юпитеры» часто используется для описания этих планет, а термин «горячие Юпитеры» применяется к тем массивным планетам, которые вращаются очень близко к своим звездам. Точно так же термины Нептуны и горячие Нептуны относятся к планетам массой менее чем 10 процентов от массы Юпитера, а термин Суперземли относится к тем планетам, которые вполне могут быть каменистыми телами всего лишь в несколько раз массивнее Земли. Границы между этими классами недостаточно четко определены, и эти термины могут переоценить сходство с конкретными объектами в Солнечной системе. Однако транзитные экзопланеты с минимальной массой содержат более крупные фракции более тяжелых элементов, чем транзитные планеты-гиганты. В Солнечной системе существует аналогичное соотношение между массой планеты и ее составом.
 рис. Сравнительные размеры протопланетных дисков
Тем не менее, многие из упомянутых свойств экзопланет находятся в резком контрасте с планетами Солнечной системы. Юпитер, которому требуется около 12 лет, чтобы облететь вокруг Солнца, имеет самый короткий орбитальный период среди всех больших планет (более массивных, чем Земля) в Солнечной системе. Даже ближайшей к Солнцу планете, Меркурию, необходимо 88 дней на один круг вокруг Солнца. В Солнечной системе планеты, особенно более крупные, движутся по почти круговым траекториям. Большинство внесолнечных планет-гигантов с орбитальными периодами более двух недель имеют вытянутые орбиты. Согласно теории происхождения планет, гигантские экзопланеты, сформированные на больших расстояниях, оказывались очень близко к своим звездам, и мигрировали внутрь в результате гравитационных взаимодействий с остатками околозвездных дисков, из которых они были собраны. У дрейфующих планет-гигантов была другая история: они, вероятно, были сформированы в околозвездных дисках, но были выброшены из их звездных систем под действием гравитационных сил.
Звезды, которые содержат большую долю тяжелых элементов (то есть, любой элемент, кроме водорода и гелия), вероятнее всего, будут обладать обнаруживаемыми газовыми планетами-гигантами. Более массивные звезды больше подходят для образования планет, сравнимых по массе с Сатурном, но это соотношение может не подойти для более мелких планет. Многие экзопланеты вращаются вокруг звезд, которые являются членами двойных звездных систем. Кроме того, для звезд с одной обнаруживаемой планетой обычно характерно наличие других планет. Большинство планет, обнаруженных на сегодняшний день вокруг звезд, вдали от Солнца, имеют массу почти в две-три тысячи раз превышающую массу Земли. Все они кажутся слишком массивными, чтобы поддерживать жизнь, подобную земной, однако это совсем не означает, что планеты, подобные Земле, необычны.
Направления будущих исследований
Исследования в области экзопланет развиваются быстрыми темпами, поскольку новые технологии позволяют находить более мелкие и более отдаленные планеты, а также характеристики ранее обнаруженных планет. Почти все известные внесолнечные планетные системы очень отличаются от Солнечной системы, но надо понимать, что планеты, подобные планетам Солнечной системы, при нынешнем уровне развития технологий, все еще очень трудно найти вокруг других звезд. Поэтому, поскольку большинство из известных на сегодняшний день звезд не имеют обнаруживаемых планет, до сих пор не известно, является ли наша Солнечная система нормальной или необычной.
 рис. Космический телескоп Кеплер
В рамках миссии «Кеплер» Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства США, стартовавшей 6 марта 2009 года, используется метод транзитной фотометрии из космоса для достижения беспрецедентной чувствительности к небольшим планетам с орбитальными периодами до двух лет. Эта программа должна дать ответ на вопрос, являются ли планеты, подобные Земле, обычными или редкими. В 2010 году команда «Кеплера» объявила о своих первых открытиях: четыре газовых гиганта массой немного больше Юпитера и одна планета чуть больше Нептуна, которая обогащена более тяжелыми элементами. Все пять орбит планет находятся очень близко к своим звездам. В 2011 году команда «Кеплера» объявила, что они открыли планету Кеплер-22b, которая была первой планетой, найденной в зоне обитаемости звезды, подобной Солнцу. Они также обнаружили первые экзопланеты земного типа, Кеплер-20е и Кеплер-20f (с радиусами 0.87 и 1,03 радиуса Земли, соответственно). С 2016 года «Кеплер» открыл более 2000 планет (около 2/3 всех известных на сегодня внесолнечных планет).
Другие проекты также изучали транзиты, чтобы обнаружить экзопланеты. Наиболее заметным подобным открытием была система TRAPPIST-1. И телескоп TRAPPIST на Земле, и космический телескоп «Спитцер» на околоземной орбите, были использованы для обнаружения семи планет земного типа в этой системе, три из которых находятся в зоне обитаемости.
|
