13.10.2025. - Как открыть экзопланету

Как открыть экзопланету

6 октября 1995 года на научной встрече во Флоренции, Италия, два швейцарских астронома сделали заявление, которое изменит наше представление о Вселенной за пределами нашей Солнечной системы. Мишель Майор и его аспирант Дидье Келоз, работающие в Женевском университете, объявили, что обнаружили планету, вращающуюся вокруг звезды, отличной от Солнца.

Звезда, о которой идет речь, 51 Пегаса, находится на расстоянии около 50 световых лет от нас в созвездии Пегаса. Ее спутник, получивший название 51 Пегаса b, не похож ни на что из того, что написано в учебниках о том, как, по нашему мнению, могут выглядеть планеты. Это был газовый гигант с массой, по меньшей мере, вдвое меньшей, чем у Юпитера, который совершал оборот вокруг своей звезды чуть более чем за четыре дня. Она находилась так близко к звезде (1/20 расстояния Земли от Солнца, далеко за орбитой Меркурия), что атмосфера планеты была бы похожа на печь, а температура достигала бы 1000°C.

Инструментом, стоящим за этим открытием, был спектрограф Elodie, который был установлен двумя годами ранее в обсерватории Верхнего Прованса на юге Франции. Разработанный франко-швейцарской командой Elodie, он разделил звездный свет на спектр различных цветов, создав радугу, испещренную тонкими темными линиями. Эти линии можно рассматривать как "звездный штрих-код", содержащий подробную информацию о химическом составе других звезд.

Майор и Келоз заметили, что штрих-код 51 Пегаса ритмично перемещается взад-вперед в этом спектре каждые 4,23 дня — верный сигнал о том, что звезда раскачивается взад-вперед под действием гравитационного притяжения невидимого спутника на фоне яркого света звезды.

После тщательного исключения других объяснений астрономы, наконец, решили, что изменения были вызваны газовым гигантом, находящимся на близкой орбите вокруг этой солнцеподобной звезды. На первой странице журнала Nature, в котором была опубликована их статья, был заголовок: "Планета в созвездии Пегаса?"

Открытие озадачило ученых, и вопросительный знак на обложке Nature отразил первоначальный скептицизм. Здесь была изображена предполагаемая планета-гигант рядом со своей звездой, механизм образования которой в столь огненной среде неизвестен.

Хотя сигнал был подтвержден другими командами в течение нескольких недель, сомнения относительно его причины сохранялись в течение почти трех лет, прежде чем они были окончательно устранены. 51 Пегаса b не только стала первой планетой, открытой на орбите солнцеподобной звезды за пределами нашей Солнечной системы, но и представляла собой совершенно новый тип планет. Позднее для описания таких планет был введен термин "горячий Юпитер".

Это открытие открыло новые возможности. За прошедшие с тех пор 30 лет было занесено в каталог более 6000 экзопланет (термин, обозначающий планеты за пределами нашей Солнечной системы) и кандидатов в экзопланеты.

Их разнообразие поражает воображение. Это не только горячие, но и сверхгорячие Юпитеры с дневной температурой, превышающей 2000 °C, и орбитами менее суток. Планеты, которые вращаются не вокруг одной, а вокруг двух звезд, как Татуин из "Звездных войн". Странные "сверхмягкие" газовые гиганты крупнее Юпитера, но с меньшей массой. Цепочки маленьких скалистых планет, расположенных на узких орбитах.

Открытие 51 Пегаса b вызвало революцию, и в 2019 году Мэр и Келос получили Нобелевскую премию. Теперь мы можем сделать вывод, что у большинства звезд есть планетные системы. И все же из тысяч обнаруженных экзопланет нам еще предстоит найти планетную систему, похожую на нашу собственную.

Стремление найти двойника Земли — планету, которая действительно напоминает Землю по размеру, массе и температуре, — продолжает побуждать современных исследователей, таких как мы, искать новые неоткрытые экзопланеты. Возможно, в наших экспедициях мы и не отправляемся в смертельно опасные путешествия и походы, как легендарные исследователи Земли прошлого, но мы посещаем красивые обсерватории на вершинах гор, часто расположенные в отдаленных районах по всему миру.

Мы являемся членами международного консорциума охотников за планетами, который создал, эксплуатирует и обслуживает спектрограф Harps-N, установленный на Национальном телескопе Галилео на прекрасном канарском острове Ла-Пальма. Этот сложный прибор позволяет нам грубо прервать движение звездного света, который, возможно, беспрепятственно распространялся со скоростью 670 миллионов миль в час в течение десятилетий или даже тысячелетий.

Каждый новый сигнал потенциально может приблизить нас к пониманию того, насколько общими могут быть (а могут и не быть) планетные системы, подобные нашей. В основе этого лежит возможность того, что однажды мы, наконец, сможем обнаружить другую планету, подобную Земле.

Истоки изучения экзопланет

Вплоть до середины 1990-х годов наша солнечная система была единственной из известных человечеству планет. Каждая теория о том, как формировались и эволюционировали планеты, основывается на этих девяти, невероятно близко расположенных точках данных (число которых сократилось до восьми, когда в 2006 году Плутон был понижен в статусе, после того как Международный астрономический союз утвердил новое определение планеты).

Все эти планеты вращаются только вокруг одной звезды из примерно 1011 (примерно 100 миллиардов) в нашей галактике, Млечном Пути, которая, в свою очередь, является одной из примерно 1011 галактик во Вселенной. Таким образом, пытаться делать выводы, основываясь только на планетах нашей Солнечной системы, было немного похоже на попытки инопланетян понять природу человека, изучая студентов, живущих вместе в одном доме. Но это не помешало некоторым из величайших умов в истории размышлять о том, что находится за ее пределами.

Древнегреческий философ Эпикур (341-270 гг. до н.э.) писал: "Существует бесконечное количество миров — одни похожи на этот мир, другие непохожи на него". Это мнение было основано не на астрономических наблюдениях, а на его атомистической теории философии. Если вселенная состоит из бесконечного числа атомов, то, заключил он, невозможно, чтобы не было других планет.

Эпикур ясно понимал, что это означало с точки зрения потенциального развития жизни в других местах: "Мы не должны предполагать, что миры обязательно имеют одну и ту же форму. Никто не может доказать, что в каком—то одном мире не могут содержаться — в то время как в другом мире их просто не может быть - семена, из которых возникают животные, растения и все остальное, что мы видим."

Напротив, примерно в то же время греческий философ Аристотель (384-322 гг. до н.э.) предложил свою геоцентрическую модель Вселенной, в центре которой неподвижно находилась Земля, а Луна, солнце и известные планеты вращались вокруг нас. По сути, солнечная система, по представлениям Аристотеля, была всей вселенной. В книге "О небесах" (350 г. до н.э.) он утверждал: "Из этого следует, что миров не может быть больше одного".

Такое представление о том, что планеты - редкость во Вселенной, сохранялось в течение 2000 лет. Сэр Джеймс Джинс, один из ведущих математиков мира и влиятельный физик и астроном того времени, выдвинул свою приливную гипотезу формирования планет в 1916 году. Согласно этой теории, планеты образовались, когда две звезды пролетели так близко, что при столкновении со звездами в космос выбрасываются потоки газа, которые позже конденсируются в планеты. Редкость таких близких космических столкновений в бескрайней пустоте космоса заставила Джинса поверить, что планеты должны быть редкими или, как сообщалось в его некрологе, "что солнечная система может быть даже уникальной во Вселенной".

Но к тому времени понимание масштабов Вселенной постепенно менялось. В ходе "Великих дебатов" 1920 года, проходивших в Смитсоновском музее естественной истории в Вашингтоне, округ Колумбия, американские астрономы Харлоу Шепли и Хибер Кертис спорили о том, является ли Млечный Путь всей Вселенной или всего лишь одной из многих галактик. Факты начали указывать на последнее, как и утверждал Кертис. Это осознание того, что Вселенная содержит не просто миллиарды звезд, но и миллиарды галактик, каждая из которых содержит миллиарды звезд, начало влиять даже на самых пессимистичных предсказателей планетарной распространенности.

В 1940-х годах два обстоятельства привели к резкому изменению научного консенсуса. Во-первых, приливная гипотеза Джинса не выдержала научной проверки. Ведущие теории теперь рассматривали образование планет как естественный побочный продукт самого звездообразования, открывая потенциал для всех звезд как местообитаний планет.

Затем, в 1943 году, появились заявления о существовании планет, вращающихся вокруг звезд 70 Змееносца и 61 Лебедя с — двух относительно близких звездных систем, видимых невооруженным глазом. Позже было доказано, что оба они были ложноположительными, скорее всего, из—за неточностей в наблюдениях в телескоп, которые были возможны в то время, но, тем не менее, это сильно повлияло на планетарное мышление. Неожиданно существование миллиардов планет в Млечном Пути стало рассматриваться как реальная научная возможность.

Для нас ничто так не подчеркивает эту перемену в мышлении, как статья, написанная для журнала Scientific American в июле 1943 года влиятельным американским астрономом Генри Норрисом Расселом. Если двумя десятилетиями ранее Рассел предсказывал, что планеты "должны быть редкостью среди звезд", то теперь его статья называлась "Упадок антропоцентризма". Новые открытия указывают на вероятность того, что в нашей Галактике существуют тысячи обитаемых планет.

Поразительно, что Рассел не просто предсказал существование каких-либо старых планет, но и сделал вывод о том, что они обитаемы. Актуальным вопросом было: где они находятся? Чтобы начать выяснять, потребуется еще полвека.

Как обнаружить экзопланету

Когда мы наблюдаем за мириадами звезд с помощью телескопа Galileo итальянского производства в Ла Пальме, используя спектрограф Harps-N, удивительно осознавать, как далеко мы продвинулись с тех пор, как Майор и Келоз объявили об открытии 51 Пегаса b в 1995 году. В наши дни мы можем эффективно измерять массы не только планет, подобных Юпитеру, но даже небольших планет, удаленных от нас на тысячи световых лет. В рамках сотрудничества Harps-N с 2012 года мы занимаем лидирующие позиции в области изучения малых экзопланет.

Еще одна веха в этой истории произошла через четыре года после открытия 51 Pegasi b, когда канадский аспирант Гарвардского университета Дэвид Шарбонно обнаружил прохождение известной экзопланеты. Это был еще один горячий Юпитер, известный как HD209458b, также расположенный в созвездии Пегаса, примерно в 150 световых годах от Земли.

Транзит относится к прохождению планеты перед своей звездой, с точки зрения наблюдателя, из-за чего звезда на мгновение кажется более тусклой. Помимо обнаружения экзопланет, метод транзита позволяет нам измерить радиус планеты, проводя множество измерений яркости звезды, а затем ожидая, пока она потускнеет из-за прохождения планеты. Степень блокирования звездного света зависит от радиуса планеты. Например, для инопланетных наблюдателей Юпитер сделал бы солнце на 1% тусклее, в то время как для Земли этот эффект был бы в сто раз слабее.

В целом, с помощью этого метода транзита в настоящее время было открыто в четыре раза больше экзопланет по сравнению с методом "штрих-кода", известным как радиальная скорость, который швейцарские астрономы использовали для обнаружения первой экзопланеты 30 лет назад. Этот метод все еще широко используется сегодня, в том числе и нами, поскольку с его помощью можно не только найти планету, но и измерить ее массу.

Планета, вращающаяся вокруг звезды, оказывает гравитационное притяжение, которое заставляет эту звезду колебаться взад—вперед - это означает, что она будет периодически изменять свою скорость относительно наблюдателей на Земле. С помощью метода определения лучевой скорости мы проводим повторные измерения скорости звезды, пытаясь обнаружить устойчивое периодическое колебание, указывающее на присутствие планеты.

Однако эти изменения скорости чрезвычайно малы. Для сравнения, Земля заставляет Солнце изменять свою скорость всего на 9 см в секунду — медленнее, чем черепаха. Таким образом, чтобы найти планеты с помощью метода определения лучевой скорости, нам необходимо измерить эти небольшие изменения скорости для звезд, которые находятся на расстоянии многих-многих триллионов миль от нас.

Самые современные приборы, которые мы используем, являются настоящим инженерным достижением. Новейшие спектрографы, такие как Harps-N и Espresso, позволяют точно измерять изменения скорости порядка десятых долей сантиметра в секунду, хотя все еще недостаточно чувствительны для обнаружения истинного двойника Земли.

Но в то время как этот метод определения лучевой скорости на данный момент ограничен наземными обсерваториями и позволяет одновременно наблюдать только одну звезду, метод прохождения может быть использован в космических телескопах, таких как французский Corot (2006-14) и НАСА "Кеплер" (2009-18) и Tess (2018-). Между прочим, космические телескопы обнаружили тысячи экзопланет во всем их разнообразии, воспользовавшись тем фактом, что мы можем легче измерять яркость звезд из космоса, причем для многих звезд одновременно.

Несмотря на различия в показателях успешности обнаружения, оба метода продолжают совершенствоваться. Применение обоих методов позволяет определить радиус и массу планеты, открывая гораздо больше возможностей для изучения ее состава.

Чтобы оценить возможный состав обнаруженных нами экзопланет, мы начнем с упрощенного предположения, что малые планеты, подобно Земле, состоят из тяжелого ядра, богатого железом, более легкой скалистой мантии, небольшого количества поверхностных вод и небольшой атмосферы. Используя наши измерения массы и радиуса, мы теперь можем моделировать различные возможные композиционные слои и их соответствующую толщину.

Работа над этим еще продолжается, но Вселенная балует нас большим разнообразием планет. Мы видели свидетельства того, что скалистые миры распадались на части, и странные расположения планет, которые намекают на прошлые столкновения. Планеты были обнаружены по всей нашей галактике, от Sweeps-11b в ее центральных областях (на расстоянии почти 28 000 световых лет, что является одной из самых удаленных из когда-либо обнаруженных) до планет, вращающихся вокруг нашего ближайшего звездного соседа, Проксимы Центавра, которая находится "всего" в 4,2 световых годах от нас.

В поисках "другой Земли"

В начале июля 2013 года один из нас (Кристофер) летел в Ла-Пальму на мой первый полет с недавно введенным в эксплуатацию спектрографом Harps-N. Чтобы не испортить все, мой ноутбук был завален электронными таблицами, диаграммами, руководствами, слайдами и другими заметками. Также в комплекте был трехстраничный документ, который мне только что прислали, озаглавленный "Специальные инструкции для ToO" ("Цель возможностей").

В первом абзаце говорилось: "Исполнительный совет решил, что мы должны уделять этому объекту первостепенное внимание". Объект, о котором идет речь, был кандидатом на планету, которая, как предполагалось, вращалась вокруг Кеплера-78, звезды немного холоднее и меньше нашего Солнца, расположенной примерно в 125 световых годах от нас в направлении созвездия Лебедя.

Несколькими строчками ниже было написано: "Запуск 4-8 июля" … Крис Уотсон"", в котором предлагалось десять раз наблюдать Кеплер-78 — дважды за ночь, каждый раз с интервалом в четыре часа и 15 минут. Над моим именем стояло имя Дидье Келоза (хотя он еще не был удостоен Нобелевской премии).

Этот кандидат на планету был обнаружен космическим телескопом "Кеплер", которому было поручено исследовать часть Млечного Пути в поисках экзопланет размером с Землю. В данном случае он идентифицировал транзитную планету—кандидата с предполагаемым радиусом 1,16 (± 0,19) радиуса Земли - потенциально была обнаружена экзопланета не намного больше Земли.

Я был в Ла-Пальме, чтобы попытаться измерить его массу, которая в сочетании с радиусом, полученным по данным Кеплера, позволила бы определить плотность и возможный состав. В то время я писал: "Нужна погрешность в 10% по массе, чтобы получить достаточно хорошую объемную плотность, позволяющую отличить воду, подобную земной, с концентрацией железа (ртути), или воду".

В общей сложности я сделал десять снимков из 81, сделанных нашей командой в ходе кампании наблюдений, длившейся 97 дней. За это время мы узнали о команде под руководством США, которая также занималась поисками этой потенциальной планеты. В истинно научном духе мы договорились представить наши независимые результаты в одно и то же время. В указанный срок. Как при обмене пленными, две команды обменялись результатами, которые совпали. Несмотря на неопределенность наших данных, мы пришли к одинаковому выводу о массе планеты.

Ее наиболее вероятная масса составила 1,86 массы Земли. В то время это делало Kepler-78b самой маленькой экзопланетой с точно измеренной массой. Плотность была почти такой же, как у Земли.

Но на этом сходство с нашей планетой заканчивалось. У Kepler-78b "год" длится всего 8,5 часов, вот почему мне было поручено наблюдать за ним каждые 4 часа 15 минут — когда планета находилась на противоположных сторонах своей орбиты, и вызванное "колебание" звезды было бы самым сильным. Мы измерили, как звезда раскачивалась взад—вперед со скоростью около двух метров в секунду - не более чем медленная пробежка.

Короткая орбита Kepler-78b означала, что ее экстремальная температура приведет к расплавлению всех горных пород на планете. Возможно, это была самая похожая на Землю планета, найденная в то время, с точки зрения ее размера и плотности, но в остальном этот адский мир, покрытый лавой, находился на самом пределе известного нам планетарного населения.

В 2016 году космический телескоп "Кеплер" сделал еще одно знаменательное открытие: систему, состоящую по меньшей мере из пяти транзитных планет, вращающихся вокруг солнцеподобной звезды HIP 41378 в созвездии Рака. Особенно интересным было расположение этих планет. Там, где большинство обнаруженных нами транзитных планет находятся ближе к своей звезде, чем Меркурий к Солнцу (благодаря нашим возможностям обнаружения), в этой системе есть по крайней мере три планеты за пределами радиуса орбиты Венеры.

После более чем годичных наблюдений было принято решение использовать наш спектрограф Harps-N для измерения масс всех пяти транзитных планет, и стало ясно, что одного прибора будет недостаточно для анализа этого сложного сочетания сигналов. Другие международные команды пришли к такому же выводу, и вместо того, чтобы соревноваться, мы решили объединиться в рамках глобального сотрудничества, которое продолжается и по сей день, благодаря сотням радиальных скоростей, собранных за многие годы.

Теперь у нас есть точные массы и радиусы большинства планет в системе. Но их изучение - это игра в терпение. Поскольку планеты находятся гораздо дальше от своей звезды-хозяина, требуется гораздо больше времени, прежде чем произойдет новое транзитное событие или периодическое колебание, которое можно будет полностью наблюдать. Таким образом, нам нужно подождать несколько лет и собрать много данных, чтобы получить представление об этой системе.

Однако преимущества очевидны. Это первая система, которая начинает напоминать нашу солнечную систему. Хотя планеты немного крупнее и массивнее наших скалистых планет, их расстояния очень похожи, что помогает нам понять, как формируются планетные системы во Вселенной.

Святой грааль для исследователей экзопланет

За три десятилетия наблюдений было обнаружено множество различных планет. Мы начали с горячих Юпитеров, крупных газовых гигантов, расположенных близко к своей звезде, которые являются одними из самых простых для обнаружения планет из-за более глубоких транзитов и больших радиальных скоростей. Но хотя все первые десятки обнаруженных экзопланет были горячими Юпитерами, теперь мы знаем, что на самом деле эти планеты очень редки.

С совершенствованием приборов и увеличением количества наблюдений мы обнаружили целый новый класс планет, размеры и массы которых находятся между Землей и Нептуном. Но, несмотря на то, что мы знаем о тысячах экзопланет, мы до сих пор не нашли систем, действительно напоминающих нашу солнечную систему, или планет, действительно похожих на Землю.

Возникает соблазн заключить, что это означает, что мы являемся уникальной планетой в уникальной системе. Хотя это все еще может быть правдой, это маловероятно. Более разумным объяснением является то, что, несмотря на все наши звездные технологии, наши возможности по обнаружению таких планет, похожих на Землю, все еще довольно ограничены в такой умопомрачительно обширной Вселенной.

Святым граалем для многих исследователей экзопланет, в том числе и для нас, остается поиск настоящего двойника Земли — планеты с массой и радиусом, аналогичными земным, вращающейся вокруг звезды, похожей на Солнце, на расстоянии, подобном тому, на каком мы находимся от Солнца.

Хотя Вселенная богата разнообразием и содержит множество планет, непохожих на нашу собственную, обнаружение истинного двойника Земли было бы лучшим местом для начала поисков жизни в том виде, в каком мы ее знаем. В настоящее время метод определения лучевой скорости, используемый для поиска самой первой экзопланеты, остается на сегодняшний день наиболее подходящим методом ее обнаружения.

Спустя тридцать лет после этого открытия, получившего Нобелевскую премию, новаторский исследователь планет Дидье Келоз возглавляет самую первую специальную кампанию по исследованию радиальной скорости, направленную на поиски планеты, похожей на Землю.

В рамках крупного международного сотрудничества создается специальный прибор Harps3, который будет установлен позднее в этом году на телескопе Исаака Ньютона в Ла-Пальме. Учитывая его возможности, мы считаем, что десятилетнего сбора данных должно хватить, чтобы, наконец, обнаружить нашего первого двойника Земли.

Если, конечно, мы не уникальны.

Источник