Столетиями нас завораживает идея существования других миров и иной жизни. Экзопланеты, вращающиеся в других звёздных системах, в последние десятилетия стали объектами особого интереса.
В 1584 году итальянский мыслитель Джордано Бруно выдвинул гипотезу о том, что Вселенная бесконечна, а звёзды в ней — это далёкие солнца с «бесчисленными мирами». В 1917 году Ван Маанен заметил первые признаки существования экзопланет, обнаружив первый загрязнённый белый карлик.
И вот Александр Вольщан и Дейл Фрайл в 1992 году подтвердили существование экзопланет.
Они открыли пульсар в созвездии Девы, который вращается более 160 раз в секунду и испускает мощные радиолучи. Аномалии в сигнале привели к выводу, что вокруг пульсара вращаются два или более планетоподобных тела. Это оказались первые обнаруженные экзопланеты. Их назвали «Полтергейст и Фобетор», также известные как PSR B1257+12 b и PSR B1257+12 c.
В 1995 году Мишель Майор и Дидье Кело открыли еще одну экзопланету 51 Pegasi b, вращающуюся вокруг звезды 51 Пегаса.
Подобная «горячему Юпитеру», она как минимум в 150 раз массивнее Земли и находится ближе к своей звезде, чем Меркурий к Солнцу. 51 Peg b — это газовый гигант с температурой атмосферы 540–980 °C, который огибает свою звезду каждые четыре дня. В 2019 году её первооткрыватели получили Нобелевскую премию по физике.
С тех пор началась настоящая охота за новыми мирами. Методы поиска совершенствовались, и количество открытых планет росло. На сегодня подтверждено существование более 7500 экзопланет. Большинство из них расположены близко к Солнечной системе, поэтому их было легче обнаружить. Вы можете проверить обновляемый список обнаруженных экзопланет в каталоге NASA.
Экзопланеты, находящиеся в так называемой зоне обитаемости — области вокруг звезды, где условия подходят для существования жидкой воды, — являются основными объектами для поиска внеземной жизни. Можно предположить, что в нашей галактике миллиарды потенциально обитаемых планет.
Методы обнаружения
Поскольку экзопланеты намного меньше звёзд и сами не светятся, их поиск сопряжён со значительными трудностями. Астрономам приходится опираться лишь на косвенные методы обнаружения, а не на прямые изображения. Сегодня есть пять методов.
Метод радиальной скорости
Звезда, обладая мощным гравитационным полем, притягивает планеты, которые обращаются вокруг неё. Но и планеты оказывают гравитационное воздействие на звезду, заставляя её слегка «колебаться». В методе радиальной скорости используют изменения длины волны звёздного света для выявления этих колебаний. При отклонении звезды к наблюдателю световые волны чуть укорачиваются, смещаясь в сторону синего спектра. А при отклонении звезды от наблюдателя волны растягиваются, смещаясь в сторону красного спектра. Измеряя эти изменения, можно определить наличие, количество и размеры планет.
Изменение длины волны, вызванное вращением планеты, крайне незначительное. Например, колебания Солнца со скоростью 12 м/с, вызванные гравитационным воздействием Юпитера, смещают его спектральные линии всего на 0,000004 %. Однако современные астрономические спектроскопы способны фиксировать изменения в движении звёзд менее 1 м/с, и ведутся работы по достижению точности в 0,1 м/с, необходимой для обнаружения землеподобных планет. Поэтому этот метод является основополагающим в экзопланетной астрономии и обеспечил почти 20 % всех открытий начиная с 2012 года. Множество обсерваторий по всему миру применяют его, в том числе для подтверждения планет, найденных другими способами.
Транзитный метод
Когда планета проходит между нами и своей звездой, она затмевает часть её света. То есть вызывает временное уменьшение яркости звезды, что отражается на кривой блеска как характерное «падение» или «провал». Кривая блеска — это график, показывающий изменение яркости звезды с течением времени. Анализ световой кривой позволяет астрономам установить размер и орбитальные параметры экзопланеты. Чем крупнее планета, тем глубже и длительнее падение на графике. При наличии нескольких планет кривые блеска усложняются, что требует дополнительной работы для выделения информации о каждой планете.
Транзитный метод также позволяет отчасти определить состав атмосферы планеты. Когда свет звезды проходит через атмосферу планеты, разные вещества в ней поглощают определённые длины волн. Спектральный анализ этого поглощения даёт нам химический «отпечаток». Такие исследования выявили наличие воды в атмосферах экзопланет (Tsiaras et al., 2019), и даже позволяют определить агрегатное состояние воды в атмосфере — пар или жидкость.
С помощью транзитного метода космический телескоп NASA «Кеплер» помог открыть тысячи потенциальных экзопланет и предоставил важную информацию об их распределении в нашей галактике.
Прямое наблюдение
Безусловным доказательством наличия экзопланеты является её фотография, но для этого нужны телескопы с невероятно высоким разрешением. Например, чтобы различить изображение Юпитера на фоне Солнца с расстояния 600 световых лет нужен телескоп с диаметром зеркала 8 метров, а для различения Земли — 39 метров. Такой прибор — Чрезвычайно Большой Телескоп (Extremely Large Telescope, ELT) Европейской южной обсерватории (ESO) — строят в пустыне Атакама в Чили, он начнёт работу в 2026 году. Большего разрешения можно добиться методом интерферометрии, объединив данные нескольких телескопов.
Сложность также заключается в огромном контрасте между яркостью экзопланеты и звезды-хозяина, которая в десять миллиардов раз ярче. Для решения этой проблемы используют коронографы, подавляющие свет звезды. Прямые изображения, как и транзитный метод, позволят нам определять состав атмосфер экзопланет. Первая и пока что самая детальная фотография, сделанная орбитальным телескопом «Джеймс Уэбб» в 2022, выглядит так:
Гравитационное микролинзирование
В момент прохождения звезды или планеты перед более далёкой звездой свет фокусируется и усиливается, что регистрируется в виде изменения яркости. Гравитационное микролинзирование эффективно для обнаружения экзопланет, которые трудно выявить другими методами. Оно не требует прямого наблюдения и может использоваться для изучения планет, находящихся на больших расстояниях от своих звёзд.
Астрометрия
Этот метод основан на измерении малых изменений видимого положения звезды, вызванных гравитационным воздействием планет, обращающихся вокруг неё. Учёные делают серию снимков звезды и её окрестностей, сравнивая расстояния между опорными звёздами и исследуемой звездой. Если звезда перемещается относительно других, это может свидетельствовать о наличии планет.
Например, гравитационное воздействие Юпитера на Солнце вызывает колебания Солнца со средней скоростью 12 м/с, когда оно движется вокруг центра масс, расположенного близко к его поверхности.
Астрометрия требует максимально точной оптики, а из-за искажений, вызываемых нашей атмосферой, особенно сложна для реализации с Земли. К примеру, звезда размером с Солнце, находящаяся на расстоянии 42 световых лет от нас, будет колебаться всего на одну пятую миллионной градуса под воздействием планеты, подобной Юпитеру. Это эквивалентно наблюдению с Земли перемещения Международной Космической Станции по орбите на 1,5 мм. А эффект от планеты размером с Землю будет примерно в 1600 раз слабее.
Характеристики экзопланет
Примерно 100 лет назад Эйнар Герцшпрунг и Генри Норрис Рассел составили диаграмму, показывающую цвета и светимость нескольких десятков звезд. Они заметили, что звёзды группируются в определённых областях диаграммы. Это стало важным тестом для моделей звёздной структуры и эволюции. Можно ли сделать то же самое для планет?
С момента запуска в 2009 году орбитальный телескоп NASA «Кеплер» сыграл ключевую роль в изучении экзопланет. В работе Petigura, Howard и Marcy (2013 г.) была оценена распространённость планет размером с Землю вокруг звёзд, подобных Солнцу. И вот что показало исследование:
У большинства звёзд (74 %) есть как минимум одна планета на расстоянии 1 а.е.
Малые планеты достаточно распространены. Планет размером с Землю больше, чем юпитеров, в соотношении 16:1.
Примерно у одной из пяти звёзд, подобных Солнцу, есть планета, похожая на Землю по размеру и температуре.
Размер и масса планет имеют большое значение в их классификации. Существует разрыв в размерах планет, известный как «долина радиуса» или разрыв Фултона. Данные с телескопа «Кеплер» показали, что планеты размером 1,5–2 раза больше Земли встречаются достаточно редко. Они притягивают толстые атмосферы из водорода и гелия и превращаются в газовые гиганты. Меньшие планеты остаются каменистыми телами или становятся ядрами, лишёнными атмосферы.
Газовые гиганты
Это крупные планеты, преимущественно состоящие из гелия и водорода, без твёрдой поверхности, с газовой оболочкой ядра. Они могут быть значительно больше и ближе к своим звёздам, чем Юпитер и Сатурн в нашей Солнечной системе.
«Горячие юпитеры» — это крупные газовые планеты, орбиты которых проходят очень близко к своим звёздам. Они характеризуются экстремально высокими температурами и узкими орбитами, вызывающими колебания звёзд. Это помогает обнаруживать их методом радиальной скорости.
Обнаружение самого молодого транзитного горячего юпитера на орбите HIP 67522 (T_eff ∼ 5650 K; M * ∼ 1,2 M_⊙) в ассоциации Sco-Cen OB возрастом 10-20 миллионов лет помогло учёным понять процессы планетообразования. Эта планета вращается вокруг звезды возрастом около 17 миллионов лет, совершая оборот за семь дней, и находится в 490 световых годах от Земли. Её размер, близкий к Юпитеру, указывает на её газовую природу.
Ещё один пример. WASP-76 b, горячий юпитер, обнаруженный в 2016 году транзитным методом, необычен своей близостью к звезде — 0,033 а.е., с оборотом за 1,8 дня. Он в 1,83 раза шире и 0,92 раза тяжелее Юпитера. Планета приливно заблокирована, с одной стороной, постоянно обращённой к звезде и разогретой до 2400 °C, и относительно прохладной ночной стороной (1500 °C). На дневной стороне происходит испарение железа с последующим его выпадением в виде дождя на ночной стороне. Вот такие экстремальные условия бывают на экзопланетах!
Нептунианские планеты
Нептунианские экзопланеты схожи по размеру с Нептуном или Ураном. У них есть атмосфера из водорода и гелия. Они имеют сложное внутреннее строение, но всегда содержат плотные металлические ядра и каменистую оболочку. Существуют также мини-Нептуны — планеты вне нашей системы, размеры которых меньше Нептуна, но больше Земли.
Нептунианские экзопланеты часто имеют густые облака, блокирующие свет и затрудняющие анализ молекул. Несмотря на то, что атмосферы Урана и Нептуна в основном состоят из водорода и гелия, они также содержат воду, аммиак и метан. Из-за замороженных внешних слоёв их называют «ледяными гигантами», хотя их недра тёплые. В 2014 году на расстоянии 25 000 световых лет обнаружили ледяную гигантскую экзопланету с орбитой, похожей на орбиту Урана.
Суперземли
Это уникальный класс планет, отсутствующих в нашей солнечной системе. Они больше Земли, но легче ледяных гигантов, таких как Нептун и Уран, и могут состоять из газа, камня или их комбинации. Их размер примерно вдвое больше Земли, а масса может достигать 10 земных масс. На верхней границе размеров суперземель их часто называют субнептунами или мини-нептунами.
Термин «суперземля» относится исключительно к размерам — больше Земли и меньше Нептуна, — но не указывает на сходство с нашей планетой. Истинная природа этих планет остаётся загадкой. Тем не менее, они распространены среди обнаруженных экзопланет.
В 2017 году была открыта суперземля K2-131b, также известная как EPIC 228732031b. Она в два раза больше Земли и вращается вокруг звезды, похожей на Солнце, имеет экстремально высокую температуру, способную испарять металл. Она совершает полный оборот вокруг своей звезды всего за девять часов, тогда как Меркурий делает это за 88 дней.
Планеты земной группы
Это каменистые планеты размером с Землю и меньше, которые состоят из силикатов, воды и углерода. Пока ещё неизвестно, есть ли у них атмосфера, океаны или другие признаки обитаемости, для этого нужны дополнительные исследования.
По данным NASA, система TRAPPIST-1, находящаяся примерно в 40 световых годах от Земли, включает в себя семь планет, вращающихся вокруг холодной красной карликовой звезды. Первые две планеты были обнаружены в 2016 году, остальные пять — в 2017-м. Уникальность этой системы в том, что все семь планет, судя по их размеру и каменистому составу, схожи с Землёй. Минимум три из них находятся в зоне обитаемости, что делает их приоритетными объектами для поиска внеземной жизни.
«Джеймс Уэбб» измерил температуру TRAPPIST-1b — впервые удалось измерить свет, отражённый экзопланетой. Выяснилось, что у этой планеты, вероятно, нет атмосферы.
Потенциал обнаружения жизни на экзопланетах
Множество открытых к настоящему времени систем поражает астрономов. Солнечная система с почти круглыми орбитами и чётким порядком — маленькие каменистые планеты внутри, большие газовые снаружи — оказалась нетипичной. Вопрос о том, насколько часто встречаются пригодные для жизни планеты, похожие на Землю, остаётся открытым. На данный момент 70 обнаруженных планет находятся в зоне обитаемости своих звёзд, но только 29 из них, вероятно, каменистые.
Но расположение планеты в зоне обитаемости, даже если она схожа по размерам с Землёй, не гарантирует благоприятные условия для жизни. Примеры Венеры и Марса это подтверждают. Однако наличие жидкой воды — лишь одно из возможных условий для жизни. Необходимо учитывать и другие факторы, такие как состав атмосферы, наличие магнитного поля и геологическую активность.
В то же время, пригодные для жизни миры могут существовать и за пределами зоны обитаемости, как, например, предполагаемые океаны под ледяной поверхностью спутников Юпитера и Сатурна. Уже планируются космические миссии для их дальнейших исследований. Зонд JUICE запущен в апреле 2023 года для изучения Юпитера и его ледяных спутников, а зонд Europa Clipper, запущенный в октябре 2024 года, достигнет Юпитера в 2030 году, чтобы изучать спутник Европу.
Из-за слишком долгого полёта космические зонды не получится отправить к спутникам других звёзд. Однако, анализируя свет от этих систем, астрономы могут искать следы жизни. Атомы и молекулы в атмосферах экзопланет оставляют характерные следы в световом спектре. Это позволяет обнаружить вещества, типичные для жизни, такие как кислород или метан, хотя многие биомаркеры также могут возникать в результате небиологических процессов. Например, метан, обнаруженный на Марсе, вероятно, имеет геологическое происхождение.
Новые инструменты наблюдения, такие как орбитальный телескоп «Джеймс Уэбб» и строящийся Чрезвычайно Большой Телескоп, внушают большие надежды. В будущем учёные планируют использовать их для обнаружения в атмосферах далёких миров биомаркеров, сочетание которых можно объяснить только биологическими процессами. Что будет стоять за этими находками — одноклеточная жизнь, богатые экосистемы со сложными формами жизни или разумные существа, исследующие космос, — пока остаётся гадать.