Что такое экзопланеты и как их найти

Весной 2022 года NASA сообщило о преодолении важной символической отметки — астрономы сумели подтвердить существование пятитысячной экзопланеты. И очевидно, что это только начало, ибо уже сейчас информация об обнаружении новых внесолнечных миров появляется едва ли не каждый день. Но что такое экзопланеты и как ученые их находят?

Терминология

Начнем с терминологии. Согласно определению Международного астрономического союза, экзопланетами являются тела, чья масса недостаточна для запуска в них реакций термоядерного синтеза (то есть менее 13 масс Юпитера) и которые вращаются вокруг звезд, коричневых карликов или звездных остатков.

Несложно заметить, что в подобной формулировке скрыты определенные нюансы. Один из них заключается в том, что термином «экзопланеты» обозначают лишь тела, обращающиеся вокруг других звезд либо звездоподобных объектов. Когда же речь заходит о планетоподобных телах, не входящих в состав звездных систем, в их отношении употребляются такие не содержащие приставку «экзо» определения, как «свободнолетающие планеты«, «планеты-бродяги» или «планеты-изгои».

Иногда астрономы используют более широкие термины, вроде «объекты планетарной массы», или планемо. Ими называют тела с массами, подходящими под определение «планета» (то есть больше астероида, но меньше коричневого карлика), но которые могут иметь свойства, не соответствующие типичным представлениям о планетах.

История поисков экзопланет

Вряд ли мы когда-либо узнаем, кто же был первым человеком, предположившим, что точки в небе на самом деле являются далекими солнцами, которые могут иметь свои планеты. Известно, что Демокрит, Эпикур и несколько средневековых арабских космологов по крайней мере рассматривали подобную идею. Важной вехой стал опубликованный в 1584 году трактат итальянского монаха Джордано Бруно «О бесконечности, вселенной и мирах». В нем он высказал предположение, что в космосе повсюду должны существовать планетные системы, подобные Солнечной.

После изобретения телескопа и накопления научных знаний астрономы постепенно приняли концепцию, что звезды представляют собой такие же объекты, как наше Солнце, вот только расположены на очень большом расстоянии. А раз так — почему бы им действительно не иметь свои собственные планеты?

Проблема заключалась в том, что астрономы прошлого не обладали особыми возможностями проверить это предположение. В силу чрезвычайной тусклости экзопланеты попросту невозможно было увидеть даже в самые мощные телескопы. Оставались лишь косвенные методы. Например, поиск аномалий в движении звезд. Идея состояла в следующем: поскольку гравитация экзопланеты должна воздействовать на родную звезду, то ее движение на небе будет отличаться от предсказанного.

И вот в 1855 году глава Мадрасской обсерватории У. С. Джейкоб опубликовал статью, в которой рассказал о выявленных ним аномалиях в двойной системе 70 Змееносца. Астроном пришел к довольно смелому заключению, что они вызваны воздействием гравитации невидимого третьего компаньона, а именно, экзопланеты с периодом обращения в 26 лет.

Как мы теперь уже знаем, Джейкоб ошибся: если в 70 Змееносца и есть какие-то экзопланеты, то это совсем не предсказанное ним тело. И в этом, в общем-то, и нет ничего удивительного — с учетом внушительной погрешности измерений, которые в те времена осуществлялись посредством визуальных наблюдений в телескоп и последующих зарисовок. Но в любом случае Джейкоб вписал свое имя в историю как первый астроном, пытавшийся найти экзопланету.

Любопытно, что если бы все сложилось немного по-другому, ученые могли бы получить весьма солидные доказательства существования экзопланет чуть больше ста лет тому назад. В 1917 году астроном Адриан ван Маанен открыл ранее не известную звезду, которая сейчас носит его имя. Изучая ее спектр, он обратил внимание на необычные линии поглощения, соответствующие наличию множества тяжелых элементов вроде кальция, магния и железа. В результате ван Маанен ошибочно классифицировал найденное им тело как звезду спектрального класса F. Лишь спустя несколько лет выяснилось, что на самом деле он отыскал белый карлик.

Однако дело в том, что все находящиеся на поверхности белых карликов элементы тяжелее гелия достаточно быстро «тонут», опускаясь к их центру. Так откуда же у звезды ван Маанена такой странный спектр? Ответ был найден уже в наши дни, когда исследователи выяснили, что белые карлики могут «обогащаться» веществом из окружающих их дисков, состоящих из обломков уничтоженных экзопланет. То есть, как минимум в прошлом у звезды ван Маанена имелась собственная планетная система. Увы, ученые того времени не знали об этом обстоятельстве и открытие не состоялось.

В 1960-х годах астроном Питер ван де Камп устроил сенсацию, сообщив об обнаруженных ним отклонениях в движении звезды Барнарда. По его мнению, они были вызваны гравитацией юпитероподобной экзопланеты. Несмотря на то, что далеко не все исследователи приняли выводы ван де Кампа, а последующие наблюдения не выявили заявленных им отклонений, утверждение о наличии экзопланет у звезды Барнарда вызвало большой общественный резонанс и получило широкое распространение. Очень долго этот красный карлик воспринимался многими как единственная звезда, у которой точно есть своя планетная система. Даже авторы разрабатывавшегося в 1970-х годах проекта межзвездного корабля «Дедал» предлагали отправить его именно к звезде Барнарда, а не к более близкой Альфе Центавра. Забавно, что и сейчас астрономы не могут сказать наверняка, есть ли у звезды Барнарда экзопланеты.

Перелом в деле поиска внесолнечных миров начался в 1980-х. Он оказался связан с цифровой революцией в астрономии. Переход от фотопластинок к цифровым снимкам, использование компьютеров для обработки данных, ввод в строй более мощных телескопов, появление новых технологий, таких как адаптивная оптика — все это заложило почву для начала открытия экзопланет. Первой ласточкой стали полученные в 1984 году снимки звезды Бета Живописца, продемонстрировавшие окружающий ее осколочный диск.

Впрочем, по иронии судьбы, первые в истории экзопланеты были обнаружены не в ходе оптических наблюдений, а с помощью радиотелескопов. При этом они обращаются вокруг… нейтронной звезды. Дело было так. В 1990 году радиотелескоп «Аресибо» открыл новый пульсар, получивший обозначение PSR 1257+12. В ходе его дальнейшего изучения астрономы обнаружили странную аномалию. Время от времени сигнал пульсара прерывался, причем подобные события всегда происходили с одинаковыми временными интервалами. Перебрав все варианты, ученые нашли  единственно возможное объяснение: «сбои» в пульсации вызывает обращающееся вокруг PSR 1257+12 тело (а точнее, тела — сейчас мы знаем о трех экзопланетах в этой системе).

Статья о находке была опубликована в 1992 году, произведя фурор в научной среде. Открытие породило ряд вопросов, главный из которых звучал так: откуда у пульсара вообще могут быть экзопланеты? Дело в том, что такие объекты формируются в результате взрывов сверхновых, которые должны полностью «зачищать» их окрестности и уничтожать все близкие тела. Сейчас считается, что компаньоны PSR 1257+12 являются «вторичными» экзопланетами. Скорее всего, они сформировались из обломков изначальных экзопланет, уничтоженных сверхновой.

Первая же в истории экзопланета у «полноценного» светила была найдена в 1995 году швейцарскими астрономами Мишелем Майором и Дидье Кело. Нею стал газовый гигант, обращающийся вокруг солнцеподобной звезды 51 Пегаса. За это достижение Майор и Кело в 2019 году были отмечены Нобелевской премией по физике.

Методы поиска экзопланет

Как же именно современные астрономы ищут внесолнечные миры? Та самая экзопланета в системе 51 Пегаса была найдена с помощью способа, известного как метод радиальных скоростей. Он основан на поиске изменений радиальной скорости звезды, вызванных воздействием массивного объекта в ее окрестностях. Они выражаются в периодическом смещении спектральных линий, и надо понимать, что речь идет о совсем небольших колебаниях, которые могут составлять менее метра в секунду. Но современная техника уже способна находить подобные отклонения.

Именно метод радиальных скоростей являлся основным в арсенале астрономов в первые годы охоты на экзопланеты. Он давал возможность определять их массы, а также периоды обращения. В общей сложности благодаря нему удалось найти чуть более тысячи внесолнечных миров (примерно 20% от их общего известного количества на сегодняшний день). Однако со временем метод радиальных скоростей затмил новый, получивший название транзитный метод.

Транзитный метод основан на следующей идее. Если у звезды имеется спутник, то во время его прохождения по ее диску яркость будет уменьшаться. Путем построения кривой изменения звездного блеска астрономы могут установить диаметр экзопланеты, ее период обращения и даже обнаружить, есть ли у нее кольца или собственные спутники (экзолуны). Конечно, находки последних пока носят единичный характер — но по мере совершенствования технологий и ввода в строй телескопов следующего поколения их количество должно заметно увеличиться.

Еще одно преимущество транзитного метода заключается в том, что если у экзопланеты имеется атмосфера, то во время изучения спектра прошедшего через нее света астрономы могут узнать много интересного. Например, какие химические элементы она содержит, и даже определить ее строение и наличие облачного покрова. Если, скажем, астрономам удастся найти большое количество кислорода, а также определенные соединения-биомаркеры в газовой оболочке внесолнечного мира, это может свидетельствовать о его потенциальной обитаемости.

К сожалению, несмотря на все свои очевидные преимущества, у транзитного метода есть один очень существенный недостаток. Вероятность того, что произвольно взятая экзопланета будет транзитной, ничтожно мала. Для условного аналога Земли (тела с такими же размерами и орбитой, как наша планета) она составляет всего полпроцента. В этой ситуации астрономов спасает их общее количество. Наш Млечный путь насчитывает порядка 200 млрд звезд. Так что даже с такой небольшой вероятностью в нем все равно миллиарды доступных для наблюдения транзитных экзопланет.

Именно благодаря подобной массовости транзитный метод сегодня является ключевым в деле поиска экзопланет. Основной вклад пока что внес телескоп Kepler, работавший с 2009 по 2018 год. Анализ его данных позволил обнаружить свыше 2700 подтвержденных экзопланет.

В 2018 году NASA запустило преемника Kepler — космический телескоп TESS. На данный момент он уже подтвердил существование примерно 300 экзопланет. Еще порядка 6000 пока числятся кандидатами. В общей же сложности, по состоянию на 1 декабря 2022 года из более чем 5200 известных экзопланет почти 4000 были найдены транзитным методом.

Третьим по популярности способом обнаружения экзопланет пока что является метод гравитационного микролинзирования (145 подтвержденных экзопланет). Микролинзирование возникает, когда гравитационное поле более близко расположенной к нам звезды, подобно линзе, увеличивает свет от далекой фоновой звезды. Если у более близкой звезды имеется экзопланета, то ее гравитация также окажет влияние на свет, благодаря чему ее можно будет вычислить. Главное преимущество метода заключаются в том, что он позволяет обнаруживать как тела на огромных расстояниях от Земли (даже в других галактиках), так и объекты, не входящие в состав звездных систем и которые невозможно найти с помощью других методов. Основной недостаток микролинзирования — это очень редкое событие. Если взять любую произвольную звезду и ждать ее микролинзирования, на это могут потребоваться сотни лет.

Любопытно, что астрономам удалось найти несколько десятков экзопланет путем получения их прямых изображений. Но и тут есть важный нюанс. Пока что практически все обнаруженные таким образом экзопланеты представляют собой весьма массивные недавно сформировавшиеся тела. Их атмосферы продуцируют очень большое количество инфракрасного излучения, что и позволяет их идентифицировать.

Разумеется, существуют и иные способы поиска экзопланет (астрометрия, метод вариации транзитов и т. д.). Но в силу ряда сложностей у них весьма ограниченное применение. Суммарно все остальные изобретенные методы поиска экзопланет пока что позволили открыть менее сотни внесолнечных миров.

Будущее поиска экзопланет

Изучение экзопланет является одной из наиболее бурно развивающихся отраслей в современной астрономии. Ежегодно в эксплуатацию вводятся новые телескопы и инструменты, чтобы узнавать все больше и больше о внесолнечных мирах. Так, астрономы возлагают большие надежды на недавно запущенный телескоп James Webb. Его технические возможности позволят проводить более детальный анализ экзопланетных атмосфер и получать прямые изображения крупных объектов, чьи орбиты проходят на значительном удалении от звезд.

Если же говорить о ближайшем десятилетии, то в строй будет введен целый ряд новых обсерваторий, которые должны будут внести значительный вклад в дело поиска экзопланет. Астрономов особенно интересуют землеподобные тела в зонах обитаемости. Так называют условный регион в окрестностях звезды, где экзопланета получает достаточно энергии, чтобы при наличии подходящих атмосферных условий на ее поверхности могла существовать вода в жидком виде.

В 2026 году ESA планирует отправить в космос обсерваторию PLATO. Ее приоритетом станет поиск экзопланет в зоне обитаемости вокруг желтых карликов. В 2029 году к PLATO присоединится другой европейский космический телескоп ARIEL. Он сосредоточится на изучении уже известных астрономам миров. Главный упор будет сделан на определении химического состава их атмосфер и уточнении орбитальных характеристик.

NASA тоже не собирается сидеть без дела. На борту нового инфракрасного телескопа Roman (его запуск запланирован на 2027 год) установят коронограф. Это устройство способно отсекать свет звезды, чтобы напрямую изучать обращающиеся вокруг нее спутники. Коронограф Roman будет использовать новую технологию блокировки света и компенсации искажений в волновом фронте. Это позволит телескопу получать самые четкие изображения протопланетных и околозвездных дисков, а также найти несколько тысяч новых экзопланет и получить прямые изображения крупнейших из них.

Множество новых открытий наверняка совершит и китайский автономный модуль-телескоп «Сюньтянь», который планируется отправить на орбиту в 2023-2024 году. Он будет оснащен двухметровым зеркалом, которое позволит ему снимать с разрешением, близким к телескопу Hubble. Однако при этом китайский телескоп будет иметь в 300 раз большее поле зрения, нежели его американский «коллега».

Не стоит забывать и про наземные телескопы. Строящийся сейчас в Чили Чрезвычайно Большой телескоп (ЕLT) станет крупнейшей наземной обсерваторией, ведущей исследования в оптическом диапазоне. Благодаря своему исполинскому 39-метровому зеркалу он будет получать изображения с разрешающей способностью на порядок выше, чем знаменитый Hubble. Ожидается, что ELT сможет напрямую фотографировать экзопланеты, изучать их атмосферы и наблюдать за рождением новых планетных систем. Гигантский Магелланов телескоп, который тоже строят в Чили, также должен будет внести большой вклад в изучение экзопланет. На данный момент ввод обоих телескопов в эксплуатацию запланирован на конец текущего десятилетия.

Если же говорить о более отдаленной перспективе, то один из самых интересных проектов по изучению внесолнечных миров предполагает строительство телескопа, который будет использовать в качестве увеличительного стекла… наше Солнце. Идея заключается в том, чтобы расположить телескоп на одной линии с экзопланетой и нашей звездой посредине. Тогда солнечная гравитация выполнит роль гравитационной линзы. Согласно расчетам инженеров, размещенный в нужной точке телескоп, оснащенный таким же зеркалом, как Hubble, сможет получить картинку экзопланеты на расстоянии 100 световых лет, которая будет столь же четкой, как фотография Земли, сделанная с Луны. Чтобы получить аналогичный снимок с помощью традиционного телескопа, его потребуется оснастить зеркалом, чей диаметр в 20 раз превысит диаметр нашей планеты.

Основная проблема этого проекта связана с огромной дистанцией. Чтобы воспользоваться эффектом солнечной линзы, телескоп придется разместить на расстоянии в 550 а. е. (82 млрд км) от Земли. Для сравнения, легендарный Voyager 1 пока что удалился от нас на дистанцию в 130 а. е., причем на это ему потребовалось 45 лет. Другой недостаток такого проекта заключается в том, что солнечно-гравитационный телескоп сможет изучать лишь одну конкретно взятую систему. Для большего охвата ученым придется использовать целый рой аппаратов.

Впрочем, по мере дальнейшего развития технологий такой проект вполне может стать реальностью. Особенно если астрономы сумеют найти землеподобную экзопланету с явными признаками, указывающими на ее обитаемость. Да и, кто знает? Возможно, прямо сейчас какая-то другая цивилизация изучает нашу планету посредством подобного телескопа.

Во второй части нашего материала мы расскажем о самых необычных экзопланетах, найденных астрономами.