Выйдя на улицу в ясную ночь, вы будете знать то, о чем наши предки только догадывались: у каждой звезды скорее всего есть по меньшей мере одна планета.
Миры, вращающиеся вокруг других звезд называются «экзопланетами», и они бывают самых разных размеров: от огромных гигантов, больше Юпитера, до небольших, скалистых планет примерно таких же, как Земля или Марс. Они могут быть достаточно горячими чтобы расплавить металл или быть закованными в лед. Они могут вращаться вокруг звезды так быстро, что год будет длиться всего несколько дней, могут вращаться вокруг двух солнц. Некоторые экзопланеты — бродяги без солнца, блуждающие по галактике в постоянной темноте.
Наша галактика, Млечный Путь, — это плотный поток звезд, который пересекает небо в самые темные и ясные ночи. На всем протяжении своих спиралей он содержит, вероятно, около 400 млрд. звезд, и наше Солнце среди них. И если каждая из этих звезд имеет не одну планету, а, как и наша, целую систему из них, то число планет в галактике действительно астрономическое: мы уже приближаемся к триллионам.
Эта скалистая сверх-Земля является иллюстрацией типа планет, которые будут искать в будущем такие телескопы как TESS и James Webb. Credits: ESO/M. Kornmesser
Люди рассуждали о такой возможности в течение тысяч лет, но наше поколение – первое, которое определенно знает, что экзопланеты существуют где-то там. По сути, где-то там очень далеко от нас. Ближайшая к нам звезда, Проксима Центавра, как было недавно обнаружено, имеет, по меньшей мере, одну планету – возможно, каменную. Она находится за 4,5 световых года – больше 40 триллионов километров. Большинство обнаруженных экзопланет находятся за сотни и тысячи световых лет от нас.
Плохие новости: мы не можем добраться до них и оставить на них следы в ближайшем обозримом будущем. Хорошие новости: мы можем наблюдать за ними, измерять их температуру, определять атмосферу, и возможно вскоре сможем засекать признаки жизни, скрытые в световых пикселях, пойманных с этих тусклых далеких миров.
Первой экзопланетой, засиявшей на мировой сцене была 51 Pegasi b, «горячий Юпитер» в 50 световых годах, который вращается по четырехдневной орбите вокруг своей звезды. Пограничным стал 1995 год. Внезапно, экзопланеты стали реальностью.
Но некоторые намеки уже появлялись. Планета, известная теперь как Тадмор, была обнаружена в 1988 году, хотя открытие было зафиксировано в 1992 году. Десять лет спустя все больше и больше данных доказали окончательно, чем она была на самом деле.
И система из трех «пульсарных планет» также фиксировалась, начиная с 1992 года. Эти планеты вращают вокруг пульсара на расстоянии около 2300 световых лет. Пульсары — высокоплотные, быстро вращающиеся останки мертвых звезд, вспахивающие все планеты на своей орбите жгучими потоками излучения.
Сейчас мы живем во вселенной экзопланет. Количество подтвержденных планет – 3700 и увеличивается. И это только в крохотной исследованной части галактики. За десятилетие количество может возрасти до десятков тысяч, потому как мы наращиваем количество и мощность роботизированных телескопов, запущенных в космос.
Этот впечатляющий ролик, показывающий четыре планеты массивнее, чем Юпитер, вращающиеся вокруг молодой звезды HR 8799, представляет собой компиляцию изображения, снятых в течение семи лет на W.M. Обсерватория Кека на Гавайях. Credits: Джейсон Ванг / Кристиан Маруа
Как мы достигли этого?
Мы стоим на краю пропасти истории науки. Эра ранних исследований и первые подтвержденные обнаружения экзопланет приводят нас к следующей фазе: более сложные и точные телескопы на земле и в космосе. Они расширят поле наблюдения, но также и углубятся в пространство. Задачей некоторых будет проводить более точную перепись количества далеких миров, записывая их разнообразные размеры и типы. Другие будут проводить более тщательное исследование отдельных планет, их атмосферы и их потенциальной возможности нести на себе какие-либо формы жизни.
Прямая визуализация экзопланет – то есть, фактические изображения – будет играть все более значимую роль, хотя мы достигли нынешнего уровня знаний главным образом косвенными средствами. Два основных метода основаны на колебании и тени. Метод «вобуляции», называемый радиальной скоростью, наблюдает за отчетливыми колебаниями звезд, когда они тянутся назад и вперед гравитационными буксирами вращающейся вокруг нее планеты. Размер вобуляции показывает «вес» или массу планеты.
Этот метод дал самые первые подтвержденные регистрации экзопалнет, включая 51 Peg в 1995г., открытую астрономами Мишелем Мэйором и Дидье Квелоцем. Наземные телескопы, использующие метод радиальной скорости открыли на настоящий момент около 700 планет.
Но подавляющее большинство экзопланет было открыто с помощью поиска теней – невероятно маленьких понижений яркости звезды, когда планета пересекает ее поверхность. Астрономы называют это пересечение «транзит».
Уровень понижения яркости определяется тем, насколько велика проходящая планета. Неудивительно, что этот метод поиска теней планет называют методом транзита.
Космический телескоп НАСА «Кепплер», запущенный в 2009 году, нашел около 2700 подтвержденных экзопланет этим способом. Сейчас во время своей мисси «К2» «Кепплер» продолжает открывать новые планеты, хотя ожидается, что его топливо скоро закончится.
Каждый метод имеет свои плюсы и минусы. Метод колебаний дает информацию о массе планеты, но не дает информации о ее обхвате или диаметре. Метод транзита дает диаметр, но не массу.
Однако, использование нескольких методов вместе дает возможность изучить ключевые данные всей планетарной системы – не имея непосредственных фотографий планет. Лучший пример это система TRAPPIST-1, находящаяся на расстоянии около 40 световых лет, в которой вокруг красного карлика обращаются 7 планет размером примерно с Землю.
Планеты TRAPPIST-1 были изучены наземными и космическими телескопами. Исследования, основанные на данных из космоса, выявили не только их диаметр, но и неуловимое гравитационное взаимодействие этих семи близкорасположенных планет. На его основе ученые определили их массы.
Таким образом сейчас мы знаем их массу и диаметр. Также мы знаем, сколько энергии, излученной солнцем, попадает на поверхность планет, что позволило ученым вычислить их температуру. Мы даже может дать обоснованную оценку их освещенности и предположить цвет неба, как если бы мы находились на одной из них. И хотя многое еще остается неизвестным об этих семи мирах, включая наличие атмосферы, океана, ледяных шапок или ледников, она является наиболее изученной солнечной системой кроме нашей собственной.
Иллюстрация различных миссий и обсерваторий в программе исследования экзопланет НАСА, как нынешних, так и будущих. Credits: NASA
Куда мы движемся?
Приближается следующее поколение космических телескопов. Первым будет запуск TESS, Transiting Exoplanet Survey Satellite. Этот исключительный аппарат будет обозревать ближайшие яркие звезды почти со всего неба в поисках транзитных планет. Кепплер, предыдущий мастер транзитного метода, передаст факел открытий TESS.
TESS, в свою очередь, будет искать кандидатов для более тщательного изучения с помощью «James Webb Space Telescope», запуск которого запланирован на 2020 год. Телескоп Вебба развертывающий гигантское сегментированное собирающее свет зеркало на платформе, похожей на гальку, создан, чтобы собирать свет непосредственно с планет. Свет потом может быть разделен спектр, наподобие штрих-кода, показывающий, какие газы имеются в атмосфере планеты. Цели Вебба могут включать «Сверх-Земли» — планеты, крупнее Земли, но меньше Нептуна – некоторые из них могут быть каменными планетами вроде увеличенной версии нашей Земли.
Об этих больших планетах известно мало, включая то, могут ли они быть пригодны для жизни. Если повезет, одна из них, возможно, проявит признаки кислорода, оксида углерода и метана в своей атмосфере. Такая смесь газов сильно напоминает нашу собственную атмосферу, что, возможно, может служить индикатором наличия жизни.
Но охота за землеподобной атмосферой на землеподобных планетах возможно, должна подождать следующих поколений более мощных зондов.
Благодаря телескопу Кепплер, нам известны звезды богатые планетами. И глядя в звездное небо мы можем быть уверены не только в том, что существует множество экзопланет, но и в кое-чем еще: путешествие только начинается.
Крупнейший город Сирии до войны и сейчас