Рождай миры – экзопланеты

Когда космический телескоп «Кеплер» завершил свою миссию, начатую в марте 2013 года, в октябре 2009 года из-за неудачи, ученые громко выразили удовлетворение его достижениями. Однако оказалось, что на этом приключения с охотой за планетами не закончились. Не только потому, что Кеплер снова вещает, но и из-за множества новых способов их обнаружения.

Телескоп, обращающийся по гелиоцентрической орбите, то есть вращающийся вокруг Солнца подобно Земле, должен был исследовать яркость 150 1. Солнцеподобные звезды, окаймляющие созвездия Лебедя и Лютни (XNUMX). В течение нескольких лет он последовательно посылал сигналы о последующих открытиях. эзопланета.

Среди первых были Kepler-4b, 5b, 6b, 7b и 8b. Каждая из них вращается вокруг своей звезды на небольшом расстоянии от нее (год на этих планетах составляет всего несколько дней). Все они огромны — примерно в четыре раза больше Земли (Kepler-4b имеет радиус в 1,5 радиуса Юпитера). Первые открытия подтвердили прежние предположения об общности планет в космосе.

Однако это были неземные объекты, поэтому сенсации не было. В сентябре 2011 года исследователи из Института SETI в Калифорнии, анализируя данные с Кеплера, обнаружили систему Кеплер-16 (200 световых лет от Земли).

Он состоит из двух звезд — красного карлика массой 0,2 массы нашего Солнца и оранжевого карлика (массой 0,62 массы нашего Солнца), вокруг которых вращается гигант типа Юпитера.

1. Район поисков экзопланет на данный момент

Это была первая двойная звездная система с планетой, обнаруженной так называемым транзиты. Он заключается в том, что когда планета-спутница звезды движется перед ее диском, она вызывает ее периодическое затемнение (забирает часть ее излучения). Анализируя интенсивность и продолжительность этого явления, можно рассчитать радиус планеты и срок его обращения.

В декабре 2011 года пришло известие, что Кеплер открыл две планеты: одну размером с Землю и меньшую – в системе Кеплер-20, расположенной в Лют, в 950 световых годах от нас, с пятью планетами, из которых Кеплер-20е меньше от Венера, радиус Kepler-20f почти равен радиусу Земли. К сожалению, ни одна из этих планет не лежит в так называемом обитаемая зона, то есть область вокруг звезд (не слишком близко к ним), пригодная для жизни, где может существовать жидкая вода.

Такую местность часто называют «Зоной Златовласки», ссылаясь на мотивы популярной детской сказки. Это “как раз для жизни”. Однако Kepler-20e и 20f не находятся в этой e-зоне, слишком близко к своей звезде, а температура их поверхности составляет 500-760°C. Как видите, напряжение нарастало, но мы все еще были впереди кульминации космического зрелища, которое подарил нам телескоп.

После первых двух лет его работы исследователи признали, что хотя Кеплер все же открывает новые планеты, чаще всего это тела, в несколько раз превышающие размеры Земли и обычно вращающиеся очень близко к своим родительским звездам. В 2013 году Кеплер наконец нашел то, что заставило сердце искателей другой Земли биться быстрее.

В системе Kepler-62, состоящей из оранжевого карлика (70 процентов массы нашего Солнца) и пяти планет, две — Kepler-62e и Kepler-62f — лишь немного массивнее Земли и лежат в обитаемой зоне. 62f имеет радиус 1,4 земного радиуса, представляет собой каменистую планету и обращается вокруг своей звезды за 267 дней. Год назад, в свою очередь, в мировых СМИ промелькнули фантазии о появлении в созвездии Лебедя планеты Kepler-186f – следующей в списке «вторых Земель».

Своей известностью она обязана своим размерам — очень похожим на Землю — и тому, что находится в зоне жизни. Kepler-186f — одна из пяти планет размером с Землю в звездной системе, удаленной почти на 500 световых лет от Солнца. Но только она лежит в жилой зоне. Остальные слишком близко к звезде.

Преимущества транзита

Первая внесолнечная планета была обнаружена в начале 90-х годов. В команду первооткрывателей входил польский радиоастроном Александр Вольщан. Он вращается вокруг пульсара, то есть нейтронной звезды, испускающей импульсы излучения с необычной регулярностью. Когда у пульсара есть планетарный спутник, регулярность импульсов нарушается. В космосе не так много пульсаров, поэтому их сложно рассматривать как основу для поиска эзопланета.

2. Методы обнаружения экзопланет в историческом плане.

Поэтому были разработаны другие методы, такие как доплеровская спектроскопия, изучающая лучевые скорости звезд. Эта скорость колеблется, когда у звезды есть спутник на орбите (в данном случае планета), который влияет на нее под действием гравитации.

Затем звезда немного удаляется от наблюдателя и приближается к нему. Когда она удаляется, скорость положительна (спектральные линии звезды смещаются в сторону более длинных волн).

И наоборот, когда звезда приближается. До сих пор исследования лучевых скоростей чаще всего использовались при наблюдениях с Земли.

Малые планеты земного типа вряд ли можно найти таким образом. Поэтому охотники за инопланетянами чаще всего используют вышеупомянутый метод, называемый транзитом. На его базе базируется космическая обсерватория Кеплер.

Телескоп оснащен фотометр 95 см (разновидность телескопа), с матрицей, состоящей из сорока четырех очень чувствительных ПЗС-схем, т. е. используемых в современных цифровых фотоаппаратах. Всего разрешение телескопа Кеплер составляет 95 мегапикселей. Существуют и другие методы поиска чужих планет — техника гравитационного микролинзирования, астрометрия и прямое наблюдение, но в настоящее время доминирующим является транзитный метод. Около 95 процентов выявляется благодаря ему эзопланета (2).

Размер — не единственное, что имеет значение

Подсчитано, что 17 процентов звезд в нашей Галактике имеют планету или планеты земного типа, т.е. с массой, сравнимой с массой Земли (3). Хотя большинство из них следуют по узким орбитам, подобным орбитам Меркурия, они вращаются вокруг разных звезд, некоторые из которых значительно меньше Солнца. По мнению ученых, около половины всех звезд Галактики вращаются вблизи планет разного размера, а значит, сравнимы с Землей и крупнее.

Оказывается, по крайней мере у двух третей звезд Млечного Пути есть планеты. Их число в настоящее время оценивается примерно в 400 миллиардов. Если предположить, что планеты обычно не существуют изолированно, наши оценки превращаются в сотни миллиардов планет. Всего в нашей галактике не менее 17 миллиардов планет размером с Землю.

Число было озвучено в 2013 году учеными из Астрофизического центра Гарвардского университета, основываясь в первую очередь на результатах наблюдений, проведенных с помощью космического телескопа «Кеплер». Конечно, эти данные не следует понимать так, будто на каждой из этих нескольких миллиардов планет есть благоприятные условия для жизни. Одного размера недостаточно. Также важно удалиться от звезды, вокруг которой вращается планета (4).

В ноябре 2013 года в Исследовательском центре Эймса в Калифорнии состоялась научная конференция — объект НАСА, управляющий миссией «Кеплер», — на которой были подведены итоги научных достижений, ставших результатом работы телескопа. По мнению выступавших там ученых, каждая пятая звезда, сравнимая с Солнцем (то есть желтые карлики), «должна» иметь хотя бы одну планету земного типа (то есть сопоставимого размера, массы и температуры). Он мог бы родиться на нем и выжить в жизни — такой, какой мы ее знаем с Земли.

Однако следует признать, что в своей массе egzoplanety чрезвычайно разнообразны. Они бывают разных размеров и составов. Некоторые из них не соответствуют всему, что мы знаем о планетах из наблюдений за нашей Солнечной системой. Одни чернее угля, другие купаются в море лавы, третьи тонут в океанах или хлещут алмазные дожди.

4. Зона жизни в планетных системах в зависимости от температуры звезды

К2 или реинкарнация

Кеплер Первое реактивное колесо телескопа Кеплер перестало работать в июле 2012 года. Остались еще три, которые позволяли зонду ориентироваться в пространстве. Казалось, Кеплер сможет продолжать наблюдения до 2016 года. К сожалению, в мае 2013 года отказало второе колесо. Были предприняты попытки использовать корректирующие двигатели для позиционирования обсерватории, но топливо быстро закончилось.

В середине октября 2013 года специалисты НАСА объявили, что «Кеплер» больше не будет заниматься поиском планет. И все еще с мая 2014 года осуществляется новая миссия выдающегося охотника за экзопланетами, именуемого НАСА как К2. (5). Это стало возможным благодаря использованию чуть менее традиционных приемов. Поскольку телескоп не сможет работать с двумя рабочими реактивными колесами (нужно три), ученые НАСА решили использовать давление солнечного излучения в качестве «виртуального реактивного колеса».

Этот метод оказался успешным в управлении телескопом. В рамках миссии К2 уже проведены наблюдения за десятками тысяч звезд. В декабре 2014 года появилась информация о том, что в звездной системе KOI-3158, расположенной в 117 световых годах от Земли, есть не только пять так называемых похожие на Землю планеты, но они оба egzoplanety старейший из всех найденных.

Открытие было сделано группой астрономов и астрофизиков во главе с Тьяго Кампанте из Бирмингемского университета, который анализирует данные наблюдений с К2. Звездной системе KOI-3158, которая на самом деле является частью тройной звездной системы с двумя карликами M, по оценкам, более 11 миллиардов лет. Планетная система в созвездии Лиры, однако, не похожа на нашу, потому что все пять планет вращаются вокруг звезды ближе, чем Меркурий, менее чем за десять дней.

К2 почти каждый месяц приносит новые открытия, ведь в начале 2015 года мы узнали о существовании планетной системы EPIC 201367065, в которой были обнаружены три небольшие экзопланеты типа «суперземля». Всего за первые месяцы 2015 года было обнаружено шестнадцать эзопланета, пятнадцать из них были с К2.

Większość tych obiektów jest stosunkowo mała. Aktualna lista Encyklopedii Planet Pozasłonecznych (marzec 2015 r.) obejmuje 1906 potwierdzonych egzoplanet. Inne listy nieco różnią się wartościami, jednak żadna z nich jeszcze nie przekroczyła 2000 pozasłonecznych planet.

5. Визуализация районов поиска в миссии К2 – телескоп Кеплер

Можно и с Земли

Все больше и больше предстоит открыть эзопланета используются наземные приборы. Строятся даже новые обсерватории, основной целью которых является обнаружение и сбор данных о планетах, обращающихся вокруг других звезд. Вот почему в Аризоне была создана Минерва (Миниатюрный массив радиальных скоростей экзопланет) в Аризоне. Это также пример нового недорогого подхода к поиску планет.

6. Небольшие телескопы HATNet по сравнению с большой обсерваторией

Вместо огромных телескопов на миллионы в проекте Minerva используются телескопы меньшего размера, доступные на рынке. Четыре таких устройства диаметром 70 см и длиной 2,5 м производства PlaneWave стоят 200 XNUMX злотых каждое. дыра. всем и доступны для заинтересованных любителей, которые могут позволить себе расходы.

В обсерватории Минерва свет от всех четырех направляется на спектрограф, который разбивает его на разные длины волн. Это позволяет наблюдать небольшие изменения в движении звезд относительно Земли.

Это, в свою очередь, указывает на тела, вращающиеся вокруг этих далеких солнц, и позволяет рассчитать их массы. Minerva также позволяет измерять небольшие изменения яркости, когда объекты перемещаются между диском звезды и Землей. Он фокусируется на 164 близлежащих точках в космосе, которые были выбраны из-за их потенциальной «планетарной эффективности».

Идея использования относительно небольших и недорогих телескопов для ловли экзопланет уже используется во многих местах по всему миру. Например, сеть телескопов HATNet (6), созданная Гаспаром Бакосом из Принстонского университета десять лет назад, использует устройства диаметром всего 10 см и опубликовала публикации по 56 обнаруженным планетам.

Родственная сеть HATSouth использует 24 телескопа, расположенных в южном полушарии в Австралии, Намибии и Чили. Создание распределенной сети и ее координация позволяют более точно наблюдать за транзитами планет. Automated Planet Finder работает на вершине одной из калифорнийских гор с начала 2014 года. Он уже определил местонахождение двух возможных планетарных систем.

Собранные данные станут основой для дальнейших наблюдений с помощью спутника Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS), который планируется запустить в космос в 2017 году. Грег Лафлин из Калифорнийского университета в Санта-Круз, который участвует в сборе данных, в том числе обсерватории, недавно заявил журналу NewScientist, что говорить об «охоте» на egzoplanetyа скорее о “собирании” их.

Вынюхивайте признаки жизни

Метод транзита мало что говорит о самой планете. Вы можете использовать его, чтобы определить его размер и расстояние от звезды. Метод измерения радиальной скорости может помочь определить его массу. Сочетание двух методов позволяет рассчитать плотность. Можно ли повнимательнее посмотреть экзопланета? Оказывается, это так. НАСА уже лучше разглядело такие планеты, как Kepler-7b, для которого с помощью телескопов Kepler и Spitzer была разработана карта облаков в атмосфере.

7. Первое изображение с Gemini Planet Imager – система Beta Pictoris b

Оказалось, что эта планета слишком горячая для известных нам форм жизни. Там жарко от 816 до 982°С. Однако сам факт столь подробного его описания — большой шаг вперед, учитывая, что речь идет о мире, удаленном от нас на сотню световых лет.

Пригодится и адаптивная оптика, применяемая в астрономии для устранения возмущений, вызванных вибрациями атмосферы.

Его использование заключается в управлении телескопом с помощью компьютера, чтобы избежать локальных искажений зеркала (порядка нескольких микрометров), исправляя тем самым ошибки в полученном изображении.

Так работает Gemini Planet Imager (GPI), расположенный в Чили. Инструмент был впервые запущен в ноябре 2013 года. GPI использует инфракрасные детекторы, и они достаточно эффективны, чтобы регистрировать световой спектр таких темных и удаленных объектов, как они есть. egzoplanety.

Благодаря этому можно будет больше узнать об их составе. Планета Beta Pictoris b (7) была выбрана в качестве одной из первых целей наблюдения. В этом случае GPI работает как солнечный коронограф, то есть он закрывает диск далекой звезды, чтобы показать яркость ближайшей планеты.

Именно с помощью адаптивной оптики Паломарская обсерватория в Сан-Диего, штат Калифорния, обнаружила планеты в четверной звездной системе 30 Ари в созвездии Овна (8), в 136 световых годах от Земли.

Для справки: первая планета в такой экзотической системе из четырех звезд, KIC 4862625, была открыта в 2013 году астрономами-любителями, анализирующими данные Кеплера.

Это как раз и показывает, что это не совсем редкое явление, и четверные системы составляют пятую часть известных солнцеподобных звезд (9). Ключом к наблюдению «следов жизни» является свет от звезды, вращающейся вокруг планеты.

Свет, проходящий через атмосферу egzoplanety оставляет специфический след, который можно измерить с Земли спектроскопическими методами, т.е. анализом излучения, испускаемого, поглощаемого или рассеиваемого физическим объектом. Аналогичный подход можно использовать для изучения поверхностей экзопланет. Однако есть одно условие. Поверхность планеты должна достаточно поглощать или рассеивать свет.

Испаряющиеся планеты, то есть планеты, верхние слои которых плавают, образуя большое пылевое облако, являются хорошими кандидатами. Как оказалось, мы также можем распознавать такие вещи, как облачность на планете, на расстоянии. Существование плотной пелены облаков вокруг эзопланета GJ 436b и GJ 1214b были выведены из спектроскопического анализа света родительских звезд.

Обе планеты относятся к категории «суперземли». GJ 436b находится в 36 световых годах от Земли в созвездии Льва. GJ 1214b находится в созвездии Змееносца, в 40 световых годах от нас. Первая по размерам похожа на Нептун, но гораздо ближе к своей звезде, чем известная из Солнечной системы планета. Второй меньше Нептуна, но гораздо больше Земли.

9. Видение мира в тройной звездной системе

Европейские вещи произойдут

Космическое агентство (ЕКА) в настоящее время работает над спутником, задача которого состоит в том, чтобы точно охарактеризовать и узнать о структурах уже известных эзопланета (ХЕОПС). Запуск этой миссии анонсирован на 2017 год. НАСА, в свою очередь, хочет в том же году отправить в космос вышеупомянутый спутник TESS, который будет ориентирован в первую очередь на поиск планет земной группы, около 500 XNUMX. ближайшие к нам звезды.

10. Одна из визуализаций телескопа Джеймса Уэбба

План состоит в том, чтобы обнаружить не менее трехсот планет «второй Земли». Обе эти миссии основаны на транзитном методе. В феврале 2014 года Европейское космическое агентство одобрило миссию PLATO.

Согласно текущему плану, он должен начаться в 2024 году и искать скалистые планеты с содержанием воды. Эти наблюдения могут позволить — по тому же принципу, по которому для этого использовались данные Кеплера, — также искать экзолуны.

Чувствительность PLATO будет сравнима с чувствительностью телескопа Kepler. Европейское ЕКА разработало программу Дарвина много лет назад. У NASA был аналогичный «искатель планет» — TPF (Terrestrial Planet Finder).

Целью обоих проектов было изучение планет, подобных земным, с точки зрения присутствия газов в атмосфере, которые сигнализируют о благоприятных для жизни условиях. Оба включали в себя смелые идеи создания сети космических телескопов, сотрудничающих в поиске подобных земле. эзопланета.

Однако десять лет назад эти технологии не были достаточно развиты, и программы были свернуты. К счастью, не все пропало даром. Обогащенные опытом НАСА и ЕКА, они в настоящее время совместно работают над телескопом Уэбба (James Webb Space Telescope), который должен быть запущен в космос в 2018 году (10). Благодаря большому 6,5-метровому зеркалу можно будет изучать атмосферы больших планет.

Это позволит астрономам обнаружить химические следы кислорода и метана. Мы уже получим конкретную информацию об атмосферах экзопланет – следующий этап уточнения знаний об этих далеких мирах. Различные команды работают в НАСА над дальнейшими исследованиями в этой области. Одним из таких менее известных и все еще находящихся на ранней стадии проектов является Starshade.

Речь идет о затенении света звезды чем-то вроде зонтика, на окраинах которого можно было бы наблюдать планеты. Анализируя длины волн, можно было бы определить компоненты их атмосферы. НАСА оценит проект в этом или следующем году и решит, стоит ли выполнять миссию. Если миссия Starshade и будет запущена, то это произойдет в 2022 году.

Экзо-луны ждут своего часа Врозь эзопланета Астрономы также ищут экзо-луны — те, у которых даже больше шансов иметь жизнь, чем у планет, вокруг которых они вращаются. Традиционно астрономов интересуют зоны жизни (экосферы) в звездных системах. Однако экзолуны усложняют эту простую картину. Солнечное излучение — не единственный способ согреться.

Родная планета может дать Луне дополнительную энергию за счет гравитационного сжатия и растяжения — процесса, называемого приливным нагревом. Это позволяет Луне за пределами своей жизненной зоны поддерживать столько тепла, сколько необходимо для поддержания жидкой воды. Это явление как минимум удваивает размер зоны жизни. Луна Европа, например, испытывает сильное гравитационное поле Юпитера.

Это поддерживает текучесть ледяных океанов. Один из методов обнаружения эзопланета – микролинзирование – основано на явлении искривления света под действием силы тяжести, когда объект проходит между нами и далекой звездой. Ее гравитация фокусирует свет подобно линзе, и яркость звезды периодически увеличивается. Во время недавних наблюдений с помощью телескопа MOA-II в Новой Зеландии астрономы заметили резкое увеличение яркости звезды, за которым через час последовало другое, более слабое увеличение.

Следовательно, перед звездным диском должен был пройти большой объект с сопровождающим меньшим. Измеренное соотношение масс обоих объектов составило примерно 2000:1. По мнению некоторых астрономов, сопровождающая Луна может отметить свое присутствие, заставив планету слегка покачиваться. На практике это означает, что транзит планеты может быть задержан или ускорен сверх ожидаемого.

Возможно, есть еще и дополнительное снижение яркости звезды из-за самой Луны? В рамках программы Hunt for Exmoons with Kepler (HEK) группа исследователей отобрала 250 экзопланет для изучения спутников. Работа медленная и утомительная, чтобы анализировать каждую планету по очереди, используя компьютерные программы, которые могли бы обнаруживать отклонения и дополнительные изменения яркости.

Ученые проанализировали семнадцать планет за два года. Так что охота за первой подтвержденной экзолуной может занять некоторое время. Однако, когда соответствующий метод будет наконец разработан, их количество может быстро превзойти количество планет. Ведь в нашей Солнечной системе всего восемь планет и целых 145 лун (и еще 28 ждут подтверждения). Как видите, это умножает количество миров с сотен миллиардов на еще сотни.