Небесные «гаишники» и затмения на звездах: в поисках экзопланет

 
25 474
17 августа 2015 в 8:00
Источник: Виктор Малыщиц
Разыгрываем Playstation и Dyson в приложении Каталог Onlíner каждую пятницу

С сегодняшнего дня Onliner.by открывает новую рубрику, посвященную такому далекому, но одновременно такому манящему космосу. Доступно и захватывающе о чудесах Вселенной будет рассказывать известный белорусский астрофотограф и преподаватель Виктор Малыщиц. В первом выпуске поговорим об экзопланетах и о том, как их правильно искать.

* * *

В последние два десятилетия одними из самых тиражируемых новостей в мире астрономии являются сообщения об открытии новых планет за пределами Солнечной системы, или, как еще их называют, экзопланет. Недавняя новость об открытии объекта, максимально похожего на Землю, взбудоражила не только профессиональных астрономов, но даже простых домохозяек. Так как же открывают внеземные тела астрономы?

Небесные «гаишники»

Казалось бы — в чем проблема? Наводи себе большой телескоп на разные звезды и фотографируй их планетные системы. Однако на сегодняшний день ученые располагают лишь несколькими такими снимками. Причина этого проста: все планеты находятся слишком близко к родительским звездам, а по блеску уступают им в миллионы раз, из-за чего попросту растворяются в сиянии своих солнц. Поэтому даже имеющиеся на сегодняшний день фотографии демонстрируют присутствие экзопланет только после глубокой обработки на компьютере. А большинство известных внесолнечных планет известно благодаря лишь косвенным данным.

Одни из немногих снимков экзопланет рядом с родительскими звездами

В первую очередь на помощь ученым пришел эффект Доплера. Суть его в том, что если вы приближаетесь к источнику каких-либо волн, то будете принимать эти волны с более высокой частотой, чем они испускались этим источником. И наоборот, удаляясь, вы примете сигнал с более низкой частотой. Это касается как звуковых волн (вспомните, как меняется звук сигналящей машины, проезжающей мимо вас), так и световых, то есть электромагнитных. По изменению частоты волн можно определить и скорость приближения либо отдаления источника. К примеру, этим активно пользуются сотрудники ГАИ при измерении скорости автомобилей.

Суть эффекта Доплера на примере проезжающей машины скорой помощи

Если у звезды имеется планета, то на самом деле она не будет обращаться вокруг своего солнца, а оба этих тела будут вращаться вместе вокруг общего центра масс. Легкая планета — быстро, тяжелая звезда — очень медленно. Поэтому и появилась идея измерять скорости звезд. И если какая-то из них будет испытывать периодические приближения/отдаления, то это будет доказательством наличия у нее внеземных миров.

Единственной проблемой была недостаточная точность измерений — ведь из-за малых масс планет и их большой удаленности от звезд скорости последних могут составлять всего лишь считанные метры в секунду. Такая скорость вызывает настолько слабое изменение частоты принимаемого света, что для его фиксации потребовалась разработка сверхточных спектрометров. Теперь таких приборов у астрономов два: это HARPS, установленный на 3,6-метровом телескопе в Чили, и HIRES на гигантском 10-метровом телескопе им. Кека на Гавайях. Спектрографы настолько чувствительны, что в состоянии фиксировать не только движение звезд, но и сейсмические процессы на их поверхностях.

Спектрограф HARPS в работе

Результаты не заставили себя ждать. Первое сообщение об открытии внесолнечной планеты, подтвержденное другими учеными, поступило в далеком 1988 году, а затем количество открытых далеких миров стало расти в геометрической прогрессии. Правда, характеристики открываемых планет не переставали удивлять: удавалось открывать только очень тяжелые планеты-гиганты, которые при этом обращаются возле самой звезды. Эти небесные тела получили название «горячих юпитеров», так как размерами серьезно превосходили этого гиганта, а температура их атмосфер могла составлять тысячу градусов и выше. Возникал очевидный вопрос: действительно ли во Вселенной доминируют раскаленные гиганты или просто планеты типа Земли слишком легки, чтобы оказать какое-либо возмущение на звезду?

«Горячий юпитер» в представлении художника

Затмения на звездах

Дать ответ на этот вопрос помог другой метод поиска планет — транзитный. Суть его также проста. Если вдруг повезет и мы окажемся в плоскости орбиты какой-либо планеты, то эта планета при каждом обороте будет проходить между звездой и нами. Затмения звезды она, конечно, не устроит, но едва уловимо блеск все же изменит.

Примерно такую кривую опишет блеск звезды, если по ее диску пройдет планета

Получается, что для поиска экзопланет таким способом астрономам необходимо постоянно следить за блеском сотен тысяч звезд в надежде, что некоторые из них будут время от времени слабо «подмигивать». Специально для таких поисков специалистами NASA в 2009 году был запущен на орбиту вокруг Солнца телескоп «Кеплер», который должен был постоянно следить за блеском 150 000 звезд в районе созвездия Лебедя. Инженерам пришлось сильно постараться, чтобы обеспечить исключительную точность 95-мегапиксельного массива матриц. Ведь, к примеру, Земля, проходя по диску Солнца для инопланетных наблюдателей, ослабляет его блеск менее чем на одну десятитысячную долю. Но предел возможностей телескопа оказался еще больше — он был способен фиксировать даже на порядок меньшие вариации блеска.

Гигантская фотоматрица телескопа «Кеплер»

С вводом в строй «Кеплера» наконец посыпались открытия первых экзопланет земного типа. Самым первым было открыто небесное тело Kepler-10b, всего на 40% превышающее размеры Земли. Однако орбита этой планеты была крайне близкой к главной звезде, поэтому пофантазировать на тему обитаемости, увы, не получилось — температура ее поверхности достигает 1400 °С. Но среди последующих открытий оказались и «горячие юпитеры», и «нептуны» (гиганты чуть поменьше), и «суперземли» (каменистые планеты, в несколько раз тяжелее Земли), и даже объекты размером с крошечный Меркурий. В некоторых системах «Кеплер» открыл до шести планет, обращающихся вокруг одной звезды.

Относительные размеры 1235 открытых «Кеплером» экзопланет и их звезд

Кстати, перечисленные выше методы — не единственные инструменты в руках охотников за планетами. Существует еще несколько более экзотических способов, среди которых, к примеру, метод гравитационного линзирования, когда звезда с планетами своим гравитационным полем едва уловимо усиливает блеск более далекой звезды. Еще более сложный метод основан на изучении «виляния» звезд при их движении в пространстве, однако такие исследования смогут быть доступными только после запуска высокоточных космических аппаратов нового поколения для измерения положений звезд.

В поисках двойника Земли

Когда ученые радостно рапортуют, что открыта планета, невероятно похожая на Землю, то откуда они черпают информацию о ней? Увы, источников этих данных у астрономов крайне мало. Если планету открывают по эффекту Доплера, то даже массу ее можно определить лишь приблизительно, не говоря уже о размерах и составе атмосферы. Когда же небесное тело проходит перед звездой, то шансов сделать интересные открытия становится немного больше. Ученые могут уже узнать размеры небесного тела (правда, взвесить его по-прежнему практически невозможно), а по поглощению излучения звезды даже оценить наиболее распространенные вещества в планетной атмосфере.

Землеподобная планета глазами художника

К примеру, в атмосферах гигантских планет часто находят следы водорода и гелия, которые являются для них основными газами. А у планеты со сложным названием HAT-P-11b удалось найти следы водяных паров. Однако как бы ни были чувствительны современные приборы и методы, — если вдруг мы откроем идентичную Земле планету у другой звезды, вряд ли мы сможем рассказать о кислороде в ее атмосфере и об океанах на ее поверхности.

23 июля НАСА публично объявило о сенсационном открытии: у солнцеподобной звезды открыли планету под названием Kepler-452 b, удивительно похожую на Землю. Даже год на ее поверхности длится всего на 20 дней больше нашего. Чтобы привлечь внимание публики, астрономы написали красочный пресс-релиз, который в еще более радужных тонах перепечатали практически все СМИ мира. Новость «выстрелила», ее широко тиражировали, сравнивали по важности с открытием первых планет и с достижением зондом Плутона.

Потенциально обитаемые на сегодняшний день экзопланеты. Справа для сравнения приведены планеты Солнечной системы

Однако в действительности это было еще одно рядовое событие для «охотников за планетами». Увы, узнать, что на самом деле находится на поверхности данного небесного тела, с нашими технологиями не представляется возможным. А лететь туда наши современные космические аппараты будут не менее 500 миллионов лет. Единственное, чем этот объект может похвастаться, — это тем, что он расположен в так называемой «зоне обитаемости», где лучи звезды достаточно обогревают поверхность, но при этом не превращают ее в выжженную пустыню. Однако и тут по похожести на Землю планета занимает лишь шестое место. Первое, кстати, ученые отдали объекту Kepler-438 b, открытие которого также было подтверждено в этом году, но про который почему-то газеты не написали.

Быть в узкой «зоне жизни» — не единственное условие. Планета еще должна быть небольшой

Вопросы открытия внеземной жизни до сих пор остаются нерешенными как из-за сложности наблюдения других миров, так и по той причине, что мы до сих пор до конца не знаем, что такое жизнь, какие формы она может принимать и как она может зарождаться. Поэтому иногда и концепция «зон обитаемости» подвергается критике — ведь кто знает, при какой температуре могут жить загадочные зеленые человечки? Но ни у кого не возникает и тени сомнения в том, что открытия внесолнечных планет дали ответы на многие извечные вопросы астрономии и что впереди нас ожидают новые научные сенсации.

Перепечатка текста и фотографий Onliner.by запрещена без разрешения редакции. nak@onliner.by

Источник: Виктор Малыщиц