Иллюстрация наблюдения атмосферы при прохождении планеты по диску звезды
Количество открытых экзопланет на сегодня исчисляется уже тысячами. Это очень бурно развивающаяся область астрофизики. Помимо физического интереса, она обладает и социальной значимостью, поскольку имеет прямое отношение к вопросу о месте человека во Вселенной. И связано это не только с поиском жизни в нашей и других галактиках, но и с далекой перспективой существования человечества.
Экзопланеты открывают все более активно. И важно уже даже не то, что их тысячи, а то, что постепенно обнаруживаются планеты, достаточно похожие на Землю по размерам, по массе и по степени облучения извне.
«Совсем недавно было обнаружено, что ближайшая к нам звезда — Проксима Центавра — имеет планету земного типа. В 40 световых годах от нас у звезды Trappist-1 была найдена система из семи планет земного типа, три из которых облучаются так, что там возможна жидкая вода. В конце прошлого года были открыты четыре планеты у звезды Тау Кита. И из них две — тоже в зоне обитаемости. Новые открытия в этой области происходят одно за другим. В ближайший год, наверное, будет некоторая пауза. Но потом, когда запустят новый космический телескоп „Джеймс Уэбб”, мы должны увидеть атмосферы некоторых планет, близких к нам», — рассказывает доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Института ядерных исследований РАН и Астрокосмического центра ФИАН Борис Штерн.
Иллюстрация метода транзитов
Зона обитаемости
Чтобы отделить планеты, на которых гипотетически могут быть условия для существования жизни, подобной земной, было введено понятие зоны обитаемости. Оно достаточно условно. Из периода обращения планеты и характеристик звезды можно узнать, сколько излучения звезды падает на планету. Сама планета нагревается и тоже излучает. Равновесие падающего облучения и излучения самой планеты определяет равновесную температуру. Затем эту величину сравнивают с земной равновесной температурой. Точнее, берется диапазон примерно от Венеры до Марса. Если транслировать такой диапазон по интенсивности излучения на другие планетные системы, получается та самая зона обитаемости.
Проще говоря, это тот диапазон, в котором может существовать жидкая вода, то есть температура может быть выше 0℃. Но не стоит забывать, что температура на планете зависит от атмосферы, создающей парниковый эффект, который греет планету. Например, равновесная температура Венеры не так сильно отличается от земной. Но при этом на поверхности Венеры — 450℃, а на Земле — 15℃. К тому же в планетных системах далеко не всех звезд может существовать жизнь.
Большие звезды очень недолговечны, их эволюция длится не более нескольких миллионов лет. А для зарождения жизни нужны миллиарды лет. Рассматривать имеет смысл лишь звезды начиная с класса Солнца — желтых карликов, которые могут стабильно существовать миллиарды лет. Следующий класс — это оранжевые карлики. Они тоже подходят для возможного присутствия жизни и, может быть, даже больше, чем Солнце, потому что их предельный возраст может быть заметно больше. Дальше по классификации следуют красные карлики, которых во Вселенной насчитывается больше всего.
Прямое изображение экзопланет вокруг звезды HR8799
Методы открытия
Исторически первый метод — это спектроскопический, или метод лучевых скоростей. Разберем на примере. Земля вращается вокруг Солнца, но и Солнце вращается вокруг общего центра тяжести с Землей, который находится внутри Солнца. Скорость вращения Солнца относительно этого общего центра тяжести (с Землей — для вреза) — 10 см/с. А вот скорость вращения Солнца относительно общего центра тяжести с Юпитером уже 10 м/с. Оказывается, что метры в секунду — вполне измеряемая современными инструментами скорость. Это движение измеряют по смещению спектральных линий поглощения в атмосфере звезды: если звезда движется к нам — они смещаются в синюю область, от нас — в красную. Это научились делать на рубеже 80–90-х годов прошлого века, а в 1995 году таким образом нашли первую планету — совершенно невероятную, очень тяжелую и очень близкую к звезде. С тех пор этим методом найдены многие сотни новых объектов. Существующий на сегодня предел точности измерения — 20 см/с. Так были обнаружены, например, планеты в системе Тау Кита.
Этот метод позволяет найти объекты с массами в несколько земных. Менее массивные найти значительно сложнее. Такой подход хорош тем, что он применим ко всем планетным системам. Есть гораздо более чувствительный метод, который позволяет находить планеты земной массы достаточно несложно, но он очень избирательный. Это метод транзитов. Если эклиптика звезды (плоскость вращения планет вокруг звезды) лежит на луче зрения, мы видим, как планеты проходят через ее диск. Они затмевают звезду, и это можно наблюдать. Но вероятность обнаружить маломассивную планету таким образом — примерно 0,5%. Еще одно преимущество метода транзитов — на просвет может быть видна атмосфера.
Есть и другие, менее продуктивные способы обнаружения экзопланет. Для гигантских далеких планет возможен метод прямого наблюдения, поскольку они видны. Но планета должна быть большой и дальше от своей звезды, чем Нептун от Солнца.
Планетная система звезды Trappist-1
Атмосферы экзопланет
«Мы получаем все больше и больше информации об экзопланетах. С начала XXI века мы можем анализировать состав атмосфер и определять другие свойства экзопланет все точнее. Нужно отметить, что из нескольких тысяч известных экзопланет меньше 1% тех, которые видны сами по себе. Непосредственно мы видим молодые гигантские планеты, находящиеся далеко от своих звезд. В таком случае мы видим собственное излучение планеты в инфракрасном диапазоне», — рассказывает ведущий научный сотрудник Государственного астрономического института им. П. К. Штернберга, автор проекта профессиональных астрономических новостей Сергей Попов.
Получается, что сегодня можно исследовать спектры верхней атмосферы гигантских молодых планет и, соответственно, изучать их состав. Есть и обратный случай: гигантская планета находится очень близко от своей звезды. И тогда звезда прогревает ее атмосферу до огромной температуры, которая может составлять несколько тысяч по шкале Кельвина. И снова можно видеть это излучение и изучать спектр такой экзопланеты. Более того, можно измерять скорость ветра в такой атмосфере, и это сделано в нескольких случаях, потому что там дуют невероятной силы ветра из-за мощного прогрева.
Изображение протопланетного диска вокруг звезды HL Тельца, построенное с помощью системы телескопов ALMA
В случае планет поменьше нужно прибегнуть к методу транзитов. Планеты проходят на фоне диска звезды и, соответственно, их внешняя атмосфера просвечивается. Таким образом тоже можно изучать спектры экзопланет, астрофизики уже исследуют атмосферы сверхземель — планет, которые в несколько раз тяжелее Земли. Но для того, чтобы качественно изучить атмосферу полного двойника Земли, нужны прямые изображения. Пока что это задача отдаленной перспективы.
Ближайшее будущее — это изучение атмосфер планет типа Земли в зоне обитаемости вокруг красных карликов, которые являются слабыми звездами и могут излучать в тысячи раз меньше энергии, чем Солнце. Поэтому, чтобы планета была потенциально обитаемой, нужно, чтобы она находилась очень близко от такой звезды. При подобной конфигурации транзиты будут происходить довольно часто. Соответственно, разумное ожидание состоит в том, что через 10–15 лет ученые получат прямые данные по атмосферам железнокаменных планет в зонах обитаемости вокруг красных карликов.
Материал опубликован в журнале «За науку №2».
