11.02.2020. - Загадочные экзопланеты

Загадочные экзопланеты

Научно-популярные лекции в канун Дня науки от представителей разных наук успели стать доброй традицией. Хорошим способом познакомиться с тем, что происходит сегодня на переднем крае науки в изложении понятном даже школьнику. Например, что астрономам удалось узнать о планетарных системах других звезд (тем более в прошлом году Нобелевская премия по физике досталась как раз пионерам исследований в этой области). Рассказал об этом д.ф-м.н. Борис Штерн. Здесь надо отметить один важный момент. Первые заявки на обнаружение экзопланет были сделаны другими учеными несколькими годами ранее.

Но, по разным причинам, премия от Нобелевского комитета им не досталась, подробнее об этом - дальше. Вообще, чтобы стало понятно, насколько быстро развивается это направление астрономии: еще полвека назад ученые считали, что открыть первую планету у одной из соседних звезд удастся лишь в далеком будущем. «Далекое будущее» наступило уже через десяток лет. Открытие удалось совершить, используя т.н. метод Доплера (или метод лучевых скоростей), заключающийся в спектрометрическом измерении радиальной скорости звезды. Кстати, предложил его астроном русского происхождения Отто Струве еще в 1952 году.

Очевидным преимуществом этого метода было то, что он позволял обследовать звездные системы, находящиеся на больших расстояниях от Солнца. Понятно, что перед этим потребовалось немало поработать, чтобы превратить теоретическую концепцию Струве в реально работающую астрономическую технологию. Было множество технических проблем. Ожидаемые колебания звездных радиальных скоростей нетрудно вычислить, они составляют всего лишь несколько метров в секунду. Доплеровские линии в таких случаях смещаются очень ненамного, поэтому зарегистрировать такие сдвиги весьма сложно. Ни один спектрометр не работает идеально, всегда возникают систематические ошибки, порожденные самим прибором. Надо было научиться их устранять, это заняло много времени. В сумме эти трудности привели к тому, что достоверно обнаружить с помощью метода Доплера первые экзопланеты удалось только сорок лет спустя.

Джеффри Марси давно уже приобрел титул самого результативного в мире охотника за внесолнечными планетами Значительную часть этой работы проделали профессор астрономии Калифорнийского университета в Беркли Джеффри Марси и его коллега Пол Батлер. К слову, Марси давно уже приобрел титул самого результативного в мире охотника за внесолнечными планетами. Его группа обнаружила около полутора сотен экзопланет (то есть почти половину из всех найденных).

Но вот в плане Нобелевской премии Марси с коллегами оказались далеко не так удачливы, потому что фактически первые экзопланеты - в системе желтого карлика Гельветиоса в созвездии Пегаса - обнаружили именно они. Однако сами не поверили всерьез в свои результаты и поначалу не стали их проверять. И только, когда Мишель Майор и Дидье Кело открыли там экзопланету (за что и получили Нобелевскую премию), Марси и Батлер вернулись к своим результатам. Но, как говорится, «поезд уже ушел».

Также остался без нобелевской премии польский астроном Александр Вольщан, который также открыл две экзопланеты раньше, чем лауреаты прошлого года. Он нашел их в системе пульсара PSR B1257. Позже в этой системе нашли еще и третью планету. Как отметил Штерн, пульсары очень удобны для поиска планет методом лучевых скоростей, но, как правило, не имеют планет (поскольку образовываются в результате взрыва звезды, уничтожающего планеты вокруг нее).

В итоге, на сегодня обследовано большое число известных астрономам пульсаров, но экзопланеты, судя по всему, существуют только у четырех из них. Скорее всего, они образовались уже после взрыва звезды из остатков выброшенного звездного вещества. И все эти планеты совершенно непохожи на Землю, они не могут быть обитаемыми в силу особенностей звезд-пульсаров. Вероятно, именно это стало одним из главных аргументов при выборе, кого именно награждать за открытие экзопланет. Тем более, что за них вручали только половину премии, а вторую отдали за результаты в области космологии.

За последующие четверть века (Майор и Кело опубликовали свои результаты в 1995 году) число открытых экзопланет приближается к тысяче, правда, далеко не все заявки считаются подтвержденными. А к методу Доплера добавилось еще несколько способов их поиска. Например, транзитный метод - наблюдение уменьшения светимости звезды при прохождении планеты на её фоне. Он позволяет определить размеры планеты, а в сочетании с методом Доплера – ее плотность и сделать обоснованное предположение о наличии у нее атмосферы.

Есть еще метод гравитационного микролинзирования. У него крайне ограниченное применение: между наблюдаемой звездой и наблюдателем на Земле должна быть другая звезда, выступающая в роли линзы и фокусирующая своим гравитационным полем свет наблюдаемой звёздной системы. Если у звезды-линзы есть планеты, то появляется асимметричная кривая блеска, и, возможно, отсутствие ахроматичности. Понятно, что таким условиям удовлетворяет незначительная часть звезд, но главное достоинство метода в том, что он чувствителен к планетам с малой массой, вплоть до земной. А ведь человечество интересуют, прежде всего, такие планеты, а не газовые гиганты, подобные Юпитеру или планеты возле пульсаров, принципиально непригодные для жизни.

На сегодня астрономами накоплен достаточный объем данных о планетах в других звездных системах, чтобы делать и первые обобщающие выводы. Например, о том, что само их существование не феномен, а типичная ситуация. Планеты обнаружены приблизительно у 10 % звёзд, включённых в программы поисков. Но, по мере совершенствования техники наблюдения, этот процент постоянно растет. Причем, среди этих планет хватает как аналогов нашего Юпитера, так и планет с массой равной или меньшей, чем у Земли. На некоторых условия вполне пригодны для зарождения и существования жизни.

Хотя, конечно, хватает и планет с экзотическими параметрами. Таких, как ярко-голубой газовый гигант, обращающийся вокруг оранжевого карлика в созвездии Лисички на расстоянии 63 световых года от нас. Эта планета, по причине близкого расположения к своей звезде, является одной из самых горячих среди известных нам: на стороне, обращенной к звезде температура ее атмосферы доходит до 930 °С, и не опускается ниже 425 °С на той, что в данный момент является «темной». Дальнейшие наблюдения за этой планетой доказали, что там идут дожди из расплавленного стекла.

А вот на планете возле звезды COROT-7 в созвездии Единорога наоборот идет снег из камней. Это небесное тело примерно в полтора раза больше Земли и покрыто сплошным океаном лавы (судя по температуре поверхности). Правда только с одной стороны, той, которой планета всегда повернута к звезде. А на обратной стороне царит вечный холод. В этом отношении она весьма похожа на наш Меркурий. Атмосфера планеты состоит главным образом из испарившейся породы, которая и выпадает на тёмную и освещённую сторону каменным «снегом». Но, несмотря на то, что астрономам удалось за эти годы накопить такой огромный массив информации, по большому счету, мы еще только делаем первые шаги в изучении планетарных систем других звезд. Вот лишь некоторые задачи, которые ученым предстоит решить уже в ближайшее время.

Сейчас на орбите работает несколько спутников разных стран, которые без устали составляют списки новых кандидатов в экзопланеты. Счет идет на тысячи. И в каждом случае требуется обстоятельная проверка. Если не доработать методики этой проверки, скоро астрономы, ведущие эту работу будут похоронены под валом информации. Решение этой задачи (как и ряда других, связанных с астрономическими исследованиями) многие видят в внедрении систем искусственного интеллекта.

Во-вторых, космические аппараты, за исключением проектов космического телескопа следующего поколения, – это аппараты для открытия планет, а не для их детального изучения. Поэтому очень важно, чтобы развивались большие наземные инструменты. Сейчас существует три таких проекта – это все большие международные коллаборации. И наши ученые тоже участвуют в этом процессе, хотя, и не так широко, как хотелось бы.

Именно с помощью мега-телескопов, в сочетании с данными, полученными со спутников, будет вестись следующий этап в изучении экзопланет, после их обнаружения и регистрации. А именно – изучение состава и характеристики их атмосферы. Сегодня это удается делать только в отношении некоторых, в основном газовых гигантов. А ученых интересуют небольшие планеты, сопоставимые по размеру с Землей. Исследование атмосферы таких небесных тел - единственный доступный сегодня человечеству способ продвинуться в понимании того, есть ли жизнь на других планетах или нет. Если удастся найти там так называемые биомаркеры – такие элементы, как вода, метан, кислород – то можно будет с достаточной уверенностью говорить, что на этой планете хотя бы в простейшей форме существует жизнь земного типа.

Решение этих и многих других задач потребует даже не годы, а десятилетия напряженной исследовательской работы. А значит, и у слушателей лекции Бориса Штерна (в зале были в основном старшеклассники и студенты) есть возможность успеть в нее включиться. И, в случае успеха, вписать и свое имя в историю мировой науки.

Источник