Що таке екзопланети та як їх знайти

Навесні 2022 року NASA повідомило про подолання важливої символічної позначки — астрономи зуміли підтвердити існування п’ятитисячної екзопланети. І очевидно, що це лише початок, бо вже зараз відомості про виявлення нових позасонячних світів з’являються мало не щодня. Але що таке екзопланети та як вчені їх знаходять?

Термінологія

Почнемо з термінології. За визначенням Міжнародного астрономічного союзу, екзопланетами є тіла, маса яких недостатня для запуску в них реакцій термоядерного синтезу (тобто менше 13 мас Юпітера) та які обертаються навколо зір, коричневих карликів або зоряних залишків.

Легко помітити, що у подібному формулюванні приховані певні нюанси. Один із них у тому, що терміном “екзопланети” позначають лише тіла, які обертаються навколо інших зір чи зореподібних об’єктів. Коли ж ідеться про планетоподібні тіла, які не входять до складу зоряних систем, щодо них використовуються визначення, що не містять префікса “екзо”, такі як “вільно літаючі планети“, “планети-бродяги” або “планети-ізгої”.

Іноді астрономи застосовують ширші терміни, на кшталт “об’єкти планетарної маси”, або планемо. Ними називають тіла з масами, що підходять під визначення “планета” (тобто більше астероїда, але менше коричневого карлика), але які можуть мати властивості, що не відповідають типовим уявленням про планети.

Історія пошуку екзопланет

Навряд чи колись ми дізнаємося, хто ж був першою людиною, яка припустила, що цятки на небі насправді є далекими сонцями, які можуть мати свої планети. Відомо, що Демокріт, Епікур та кілька середньовічних арабських космологів принаймні розглядали таку ідею. Важливою віхою став опублікований 1584 року трактат італійського ченця Джордано Бруно “Про нескінченність, всесвіт і світи”. У ньому він висловив припущення, що в космосі всюди мають існувати планетні системи, подібні до Сонячної.

Після винаходу телескопа та накопичення наукових знань астрономи поступово прийняли концепцію, що зорі є такими ж об’єктами, як наше Сонце, тільки от розташовані на дуже великій відстані. А якщо так — чому б їм і справді не мати свої власні планети?

Проблема полягала в тому, що астрономи минулого не мали особливих можливостей перевірити це припущення. Через надзвичайну тьмяність екзопланети було просто неможливо побачити навіть у найпотужніші телескопи. Залишалися лише непрямі методи. Наприклад, пошук аномалій у русі зір. Ідея полягала в наступному: оскільки гравітація екзопланети має впливати на рідну зорю, її рух на небі відрізнятиметься від передбаченого.

І ось 1855 року глава Мадраської обсерваторії У. С. Джейкоб опублікував статтю, в якій розповів про виявлені ним аномалії у подвійній системі 70 Змієносця. Астроном дійшов дуже сміливого висновку, що вони викликані впливом гравітації невидимого третього компаньйона, а саме екзопланети з періодом обігу 26 років.

Як ми тепер уже знаємо, Джейкоб помилився: якщо в 70 Змієносця і є якісь екзопланети, то це зовсім не передбачене ним тіло. І у цьому взагалі немає нічого дивного — з огляду на значну похибку вимірювань, які у ті часи здійснювалися за допомогою візуальних спостережень у телескоп і подальших замальовок. Однак, як би там не було, Джейкоб вписав своє ім’я в історію як перший астроном, що спробував знайти екзопланету.

Цікаво, що якби все склалося інакше, вчені могли б отримати дуже солідні докази існування екзопланет трохи більше ста років тому. 1917 року астроном Адріан ван Маанен відкрив раніше не відому зорю, яка зараз носить його ім’я. Вивчаючи її спектр, він зауважив незвичайні лінії поглинання, що відповідають безлічі важких елементів на кшталт кальцію, магнію та заліза. В результаті ван Маанен помилково класифікував знайдене ним тіло як зорю спектрального класу F. Лише за кілька років з’ясувалося, що насправді він знайшов білий карлик.

Однак річ у тім, що всі розташовані на поверхні білих карликів елементи важче гелію досить швидко “тонуть”, опускаючись до їхнього центру. То звідки ж у зорі ван Маанена такий дивний спектр? Відповідь знайшлася вже у наші дні, коли дослідники з’ясували, що білі карлики можуть “збагачуватися” речовиною з навколишніх дисків, що складаються з уламків знищених екзопланет. Тобто, як мінімум у минулому зоря ван Маанена мала свою планетну систему. На жаль, вчені тоді не знали про цю обставину, тож відкриття не відбулося.

У 1960-х роках астроном Пітер ван де Камп влаштував сенсацію, повідомивши про виявлені ним відхилення в русі зорі Барнарда. На його думку, їх спричинила гравітація юпітероподібної екзопланети. Попри те, що далеко не всі дослідники прийняли висновки ван де Кампа, а подальші спостереження не виявили заявлених ним відхилень, твердження про наявність екзопланет біля зорі Барнарда викликало великий суспільний резонанс і набуло широкого поширення. Дуже довго цей червоний карлик сприймався багатьма як єдина зоря, яка точно має свою планетну систему. Навіть автори проєкту міжзоряного корабля “Дедал”, що розроблявся в 1970-х роках, пропонували відправити його саме до зорі Барнарда, а не до ближчої Альфи Центавра. Комічно, що й сьогодні астрономи не можуть сказати напевне, чи є у зорі Барнарда екзопланети.

Перелом у справі пошуку позасонячних світів розпочався у 1980-х. Він був пов’язаний з цифровою революцією в астрономії. Перехід від фотопластинок до цифрових знімків, використання комп’ютерів для обробки даних, введення в дію потужніших телескопів, поява нових технологій, таких як адаптивна оптика — усе це заклало ґрунт для початку відкриття екзопланет. Першою ластівкою стали отримані 1984 року знімки зорі Бета Живописця, які продемонстрували осколковий диск.

Утім, за іронією долі, перші в історії екзопланети були виявлені не під час оптичних спостережень, а за допомогою радіотелескопів. При цьому вони оберталися навколо нейтронної зорі. Сталося це так. 1990 року радіотелескоп “Аресібо” відкрив новий пульсар, який отримав позначення PSR 1257+12. У результаті його подальшого вивчення астрономи виявили дивну аномалію. Іноді сигнал пульсара переривався, причому подібне завжди відбувалося з однаковими часовими інтервалами. Перебравши всі варіанти, вчені знайшли єдине можливе пояснення: “збої” в пульсації викликає тіло, що обертається навколо PSR 1257+12 (а точніше, тіла — зараз ми знаємо про три екзопланети в цій системі).

Стаття про знахідку була опублікована 1992 року, викликавши фурор у науковому середовищі. Відкриття породило низку запитань, головне з яких звучало так: звідки у пульсара взагалі можуть бути екзопланети? Справа в тому, що такі об’єкти формуються внаслідок вибухів наднових, які повинні повністю “зачищати” їхні околиці та знищувати всі близькі тіла. Наразі вважається, що компаньйони PSR 1257+12 є “вторинними” екзопланетами. Найімовірніше, вони сформувалися з уламків початкових екзопланет, знищених надновою.

Першу ж в історії екзопланету біля “повноцінного” світила знайшли 1995 року швейцарські астрономи Мішель Майор та Дідьє Кело. Нею став газовий гігант, що обертається навколо сонцеподібної зорі Пегаса. За це досягнення Майор та Кело у 2019 році були відзначені Нобелівською премією з фізики.

Методи пошуку екзопланет

Як саме сучасні астрономи шукають позасонячні світи? Та сама екзопланета в системі 51 Пегаса була знайдена за допомогою способу, відомого як метод радіальних швидкостей. Він заснований на пошуку змін радіальної швидкості зорі під впливом масивного об’єкта на її околицях. Вони виражаються в періодичному зміщенні спектральних ліній, і слід розуміти, що йдеться про зовсім невеликі коливання, які можуть становити менше метра на секунду. Але сучасна техніка вже здатна знаходити такі відхилення.

Саме метод радіальних швидкостей був основним в арсеналі астрономів у перші роки полювання на екзопланети. Він давав змогу визначати їхні маси, а також періоди обігу. Загалом завдяки ньому вдалося знайти трохи більше тисячі позасонячних світів (приблизно 20% їх загальної відомої на сьогодні кількості). Однак згодом метод радіальних швидкостей затьмарив новий, що отримав назву транзитний метод.

Транзитний метод ґрунтується на наступній ідеї. Якщо зоря має супутник, то під час його проходження її диском яскравість буде зменшуватися. Шляхом побудови кривої зміни зоряного блиску астрономи можуть встановити діаметр екзопланети, її період обігу, і навіть виявити, чи має вона кільця або власні супутники (екзомісяці). Звісно, знахідки останніх поки що одиничні — але в міру вдосконалення технологій і введення в дію телескопів наступного покоління їхня кількість має помітно збільшитися.

Ще одна перевага транзитного методу полягає в тому, що якщо у екзопланети є атмосфера, то під час вивчення спектра світла, що пройшов через неї, астрономи можуть дізнатися багато цікавого. Наприклад, які хімічні елементи вона містить, і навіть визначити її будову та наявність хмарного покриву. Якщо, скажімо, астрономам вдасться знайти велику кількість кисню, а також певні сполуки-біомаркери в газовій оболонці позасонячного світу, це може свідчити про його потенційну придатність до життя.

На жаль, попри всі свої очевидні переваги, транзитний метод має один дуже істотний недолік. Імовірність того, що довільно взята екзопланета буде транзитною, надто мала. Для умовного аналога Землі (тіла з такими ж розмірами та орбітою, як наша планета) вона становить лише піввідсотка. У цій ситуації астрономів рятує їхня загальна кількість. Наш Чумацький шлях налічує близько 200 млрд зір. Тож навіть із такою невеликою ймовірністю в ньому все одно мільярди доступних для спостереження транзитних екзопланет.

Саме завдяки подібній масовості транзитний метод зараз є ключовим у пошуку екзопланет. Основний внесок поки що зробив телескоп Kepler, який працював з 2009 до 2018 року. Аналіз його даних дозволив виявити понад 2700 підтверджених екзопланет.

У 2018 році NASA запустило наступника Kepler — космічний телескоп TESS. Він уже підтвердив існування приблизно 300 екзопланет. Ще близько 6000 поки що вважаються кандидатами. Загалом станом на 1 грудня 2022 року з більш ніж 5200 відомих екзопланет майже 4000 були знайдені транзитним методом.

Третім за популярністю способом виявлення екзопланет наразі є метод гравітаційного мікролінзування (145 підтверджених екзопланет). Мікролінзування виникає, коли гравітаційне поле ближче розташованої до нас зорі, подібно до лінзи, збільшує світло від далекої фонової зорі. Якщо ближча зоря має екзопланету, то її гравітація також вплине на світло, завдяки чому її можна буде обчислити. Головна перевага методу полягає в тому, що він дозволяє виявляти як тіла на великих відстанях від Землі (навіть в інших галактиках), так і об’єкти, що не входять до складу зоряних систем і які неможливо знайти за допомогою інших методів. Основний недолік мікролінзування — що це дуже рідкісна подія. Якщо взяти будь-яку довільну зорю і чекати на її мікролінзування, на це можуть знадобитися сотні років.

Цікаво, що астрономам вдалося знайти кілька десятків екзопланет шляхом отримання їхніх прямих зображень. Але тут є важливий нюанс. Поки що практично всі виявлені таким чином екзопланети є дуже масивними тілами, що недавно сформувалися. Їхні атмосфери продукують дуже багато інфрачервоного випромінювання, що дозволяє їх ідентифікувати.

Зрозуміло, є й інші методи пошуку екзопланет (астрометрія, спосіб варіації транзитів тощо). Проте через низку складнощів у них дуже обмежене застосування. Сумарно решта винайдених методів пошуку екзопланет поки що дозволила відкрити менше сотні позасонячних світів.

Майбутнє пошуку екзопланет

Вивчення екзопланет є однією з галузей, що найбільш бурхливо розвиваються в сучасній астрономії. Щороку в експлуатацію вводяться нові телескопи та інструменти, щоб дізнаватися все більше й більше про позасонячні світи. Так, астрономи покладають великі надії на нещодавно запущений телескоп James Webb. Його технічні можливості дозволять здійснювати детальніший аналіз екзопланетних атмосфер і отримувати прямі зображення великих об’єктів, чиї орбіти проходять на значній відстані від зір.

Якщо ж говорити про найближче десятиліття, то в дію буде введено цілу низку нових обсерваторій, які мають зробити значний внесок у справу пошуку екзопланет. Астрономів особливо цікавлять землеподібні тіла у зонах, придатних для життя. Так називають умовний регіон на околицях зорі, де екзопланета отримує достатньо енергії, щоб за наявності відповідних атмосферних умов на її поверхні могла існувати вода в рідкому вигляді.

2026 року ESA планує відправити в космос обсерваторію PLATO. Її пріоритетом стане пошук екзопланет у придатних для життя зонах навколо жовтих карликів. 2029 року до PLATO приєднається інший європейський космічний телескоп ARIEL. Він зосередиться на вивченні вже відомих астрономам світів. Головний акцент буде зроблено на визначенні хімічного складу їхніх атмосфер та уточненні орбітальних характеристик.

NASA теж не збирається сидіти без діла. На борту нового інфрачервоного телескопа Roman (його запуск заплановано на 2027-й) встановлять коронограф. Це пристрій, здатний відсікати світло зорі, що дозволяє безпосередньо вивчати супутники, які обертаються навколо неї. Коронограф Roman використовуватиме нову технологію блокування світла та компенсації спотворень у хвильовому фронті. Це дозволить телескопу отримувати найчіткіші зображення протопланетних та навколозоряних дисків, а також знайти кілька тисяч нових екзопланет та отримати прямі зображення найбільших із них.

Безліч нових відкриттів, напевно, зробить і китайський автономний модуль-телескоп “Сюньтянь”, який планується відправити на орбіту 2023-2024 року. Він буде оснащений двометровим дзеркалом, яке дозволить йому знімати з роздільною здатністю, близькою до телескопа Hubble. Однак натомість китайський телескоп матиме у 300 разів більше поле огляду, ніж його американський “колега”.

Не слід забувати і про наземні телескопи. Надзвичайно Великий телескоп (ЕLT), що будується зараз в Чилі, стане найбільшою наземною обсерваторією, що веде дослідження в оптичному діапазоні. Завдяки своєму велетенському 39-метровому дзеркалу він зможе отримувати зображення з роздільною здатністю на порядок вище, ніж знаменитий Hubble. Очікується, що ELT зможе безпосередньо фотографувати екзопланети, вивчати їхні атмосфери та спостерігати за народженням нових планетних систем. Гігантський Магелланів телескоп, який теж будують у Чилі, також має зробити великий внесок у вивчення екзопланет. Наразі введення обох телескопів в експлуатацію заплановане на кінець поточного десятиліття.

Якщо ж говорити про більш віддалену перспективу, то один із найпривабливіших проєктів із вивчення позасонячних світів передбачає будівництво телескопа, який використовуватиме як збільшувальне скло… наше Сонце. Ідея полягає в тому, щоб розмістити телескоп на одній лінії з екзопланетою та нашою зорею посередині. Тоді сонячна гравітація виконає роль гравітаційної лінзи. Згідно з розрахунками інженерів, розміщений у потрібній точці телескоп, оснащений таким же дзеркалом, як Hubble, зможе отримати картинку екзопланети на відстані 100 світлових років, яка буде такою ж чіткою, як фотографія Землі, зроблена з Місяця. Щоб одержати аналогічний знімок за допомогою традиційного телескопа, його потрібно оснастити дзеркалом, діаметр якого в 20 разів перевищить діаметр нашої планети.

Основна проблема цього проєкту пов’язана із величезною дистанцією. Щоб скористатися ефектом сонячної лінзи, телескоп доведеться розмістити на відстані 550 а. е. (82 млрд км) від Землі. Для порівняння, легендарний Voyager 1 поки що відійшов від нас на дистанцію 130 а. е., причому на це йому знадобилося 45 років. Інший недолік такого проєкту полягає в тому, що сонячно-гравітаційний телескоп зможе вивчати лише одну конкретно взяту систему. Для більшого охоплення вченим доведеться використати цілий рій апаратів.

Проте з подальшим розвитком технологій такий проєкт цілком може стати реальністю. Особливо якщо астрономи зуміють знайти земплеподібну екзопланету з явними ознаками, що вказують на її придатність до життя. Та й, хтозна? Можливо, зараз якась інша цивілізація вивчає нашу планету за допомогою подібного телескопа.

У другій частині нашого матеріалу ми розповімо про найнезвичайніші екзопланети, знайдені астрономами.