Что такое экзопланеты?

      Комментарии к записи Что такое экзопланеты? отключены

Что такое экзопланеты?

    Поиск землеподобных экзопланет — миссия обсерватории «Кеплер», которая выйдет на орбиту в начале 2009 года. За четыре года «Кеплер» обследует около 100 000 звезд типа отечественного Солнца в отыскивании планет, похожих на Землю Первая экзопланета, зарегистрированная посредством прямого наблюдения в видимом диапазоне, — Фомальгаут b. На фотографиях, сделанных «Хабблом» с отличием в два года, видно перемещение планеты, совершающей полный оборот за 872 года Обсерватория «Кеплер» — первая миссия NASA, талантливая обнаруживать планеты размером с Землю а также меньше.
    Инструмент «Кеплера» — сверхчувствительный фотометр, оснащенный телескопом совокупности Шмидта с апертурой 0,95 м и шириной поля зрения 12°. Измерительная часть фотометра складывается из 42 ПЗС-матриц размерами 50 х 25 мм и разрешением 2200 х 1024 p. «Кеплер» будет с громадной точностью измерять интенсивность поступающего от далеких звезд света и может засечь ее изменение при прохождении планеты по диску звезды.
    Поиск землеподобных экзопланет — миссия обсерватории «Кеплер», которая выйдет на орбиту в начале 2009 года. За четыре года «Кеплер» обследует около 100 000 звезд типа отечественного Солнца в отыскивании планет, похожих на Землю Первая экзопланета, зарегистрированная посредством прямого наблюдения в видимом диапазоне, — Фомальгаут b. На фотографиях, сделанных «Хабблом» с отличием в два года, видно перемещение планеты, совершающей полный оборот за 872 года Обсерватория «Кеплер» — первая миссия NASA, талантливая обнаруживать планеты размером с Землю а также меньше.
    Инструмент «Кеплера» — сверхчувствительный фотометр, оснащенный телескопом совокупности Шмидта с апертурой 0,95 м и шириной поля зрения 12°. Измерительная часть фотометра складывается из 42 ПЗС-матриц размерами 50 х 25 мм и разрешением 2200 х 1024 p. «Кеплер» будет с громадной точностью измерять интенсивность поступающего от далеких звезд света и может засечь ее изменение при прохождении планеты по диску звезды.

Вкруг солнц, бесчисленных и сходных // C огнистым улеем, в том месте, в высоте, // В сверкании пространств холодных, // Вращаются, впивая дивный свет, // Рои ужасных планет.

Эмиль Верхарн, цикл «Вечера» (в переводе В. Брюсова)

В первой половине 40-ых годов XIX века французский мыслитель Огюст Конт во второй книге «Курса хорошей философии» провозгласил, что «химический и минералогический» состав звезд навеки останется тайной для науки. В это же время тридцатью годами ранее германский физик Йозеф Фраунгофер нашёл в спектрах излучения некоторых звезд характерные чёрные линии, каковые, как мы на данный момент знаем, являются подписью элементов, входящих в состав их воздухов.

В те времена, в то время, когда создатель данной статьи посещал астрономический кружок Столичного планетария, в популярных книжках утверждалось, что посредством земных телескопов нельзя обнаружить ни единой внесолнечной планеты. В девяностых это предсказание рассыпалось в прах и пух, не смотря на то, что научные способы, каковые позволили его опровернуть (вначале радиоастрономические наблюдения, а позднее доплеровский анализ спектральных линий), были созданы значительно раньше.

К концу 2008 года было известно около 310 так называемых экзопланет, находящихся на орбите звезд отечественной Галактики. Нет сомнений, что планетными свитами владеют и светила из вторых галактик, легко их еще не нашли из-за огромных расстояний. Учитывая, что первый спутник простой звезды был официально открыт всего 13 лет назад, приходится признать, что сначала отлов экзопланет забрал довольно высокий темп.

А потому, что сейчас экзопланеты в большинстве случаев находят в ходе автоматического сканирования ночного небосвода (техника которого совершенствуется не по дням, а по часам), число таких открытий имеет шансы существенно увеличиться уже в скором будущем.

Заметить либо предугадать?

Самый несложный метод поиска экзопланет — прямое наблюдение. Как раз так в свое время искали околосолнечные планеты, лежащие за Сатурном: достаточно в телескоп (правильнее, разбирать оцифрованные звездные снимки). В принципе (а с недавних пор и на практике) это в полной мере решаемая задача — был бы телескоп замечательнее да матрица почувствительней.

Но шансы на успех малы. Скажем, для звезды солнечного типа на расстоянии 15 световых лет от нас, около которой на расстоянии примерно 5 астрономических единиц обращается газовый гигант размером с Юпитер. На земном небе угловое расхождение между таковой ее спутником и звездой составит примерно одну угловую секунду, что в полной мере доступно современным телескопам.

Но вот беда — контраст маловат. В оптическом спектре мощность звездного излучения превышает отраженный планетарный отблеск в миллиард раз, а в ИК-диапазоне — в миллион. Исходя из этого подобные открытия до тех пор пока что вероятны только крайне редко.

В 2004 году один из восьмиметровых телескопов Южной Европейской обсерватории зафиксировал планету с массой в пять Юпитеров, обращающуюся около коричневого карлика 2 М 1207 (70 парсеков от Солнца) на расстоянии двух радиусов орбиты Нептуна (55 астрономических единиц). Но французским и американским астрологам, каковые год спустя опубликовали сообщение об этом открытии, крупно повезло.

Материнская звезда в этом случае светит так слабо, что инфракрасный контраст между ее планетарным светом и излучением образовывает всего 100:1. Первая в истории «прямая» фотография звездно-планетной пары (но, сделанная посредством адаптивной оптики) в полной мере заслуженно попала на страницы газет. Потом посредством инфракрасной фотографии удалось отыскать еще пара кандидатов в экзопланеты (по различным оценкам, от пяти до семи).

А в ноябре 2008 года американские астрологи сказали о первой идентификации ранее малоизвестной экзопланеты на фотоснимках в видимом свете (это небесное тело с массой от половины до трех весов Юпитера обращается около любимой фантастами звезды Фомальгаут из созвездия Южной Рыбы). Но, возможно сохранять надежду, что новые изображения для того чтобы рода в следующем десятилетии принесет орбитальный телескоп James Webb и до тех пор пока еще не выстроенные наземные телескопы очень большого калибра.

Невезучая астрометрия

В существовании экзопланет возможно убедиться косвенными способами. Об их наличии свидетельствуют как странности перемещения материнских звезд, так и своеобразные изюминки их излучения.

Перемещением светил на земном небосводе занимается старейшая ветвь астрономии — астрометрия. Данной науке по силам обнаружить звездные спутники-невидимки: звезда, владеющая космическим компаньоном, и ее спутник обращаются около центра масс, и смещение звезды при наличии прецизионной угломерной аппаратуры возможно зарегистрировать. Легче всего найти планету, в случае если звезда владеет заметным собственным перемещением (смещается на земном небосводе довольно вторых звезд).

Еще в первой половине 40-ых годов девятнадцатого века германский астролог Фридрих Бессель заключил , что небольшие аберрации собственного перемещения Сириуса говорят о наличии у него спутника. Действительно, им была не планета, а звезда — правильнее, белый карлик (второй по счету в истории астрономии), — которую спустя 18 лет разглядел в телескоп американец Алван Кларк.

Внесолнечные планеты начали систематически искать как раз астрометрическими способами. Первым в этом деле стал переселившийся в Соединенных Штатах голландец Пиет Ван де Камп. Во второй половине 30-ых годов XX века он стал иногда фотографировать пара намерено выбранных звезд на 61-сантиметровом телескопе Спроуловской обсерватории в штате Пенсильвания.

Шестью годами позднее он заявил об открытии необычного небесного тела, которое при жажде возможно было счесть кандидатом на роль экзопланеты.

Случилось это так. Де Кампа особенно заинтересовала тусклая звезда в созвездии Змееносца, которую в 1916 году прославил на всю землю американский астролог Эдуард Эмерсон Барнард. На базе долгих наблюдений он продемонстрировал, что данный красный карлик владеет рекордным собственным перемещением, каждый год смещаясь на 10,3 угловой секунды. К тому же он расположен весьма близко к Солнцу, всего 5,96 светового года (ближе только Альфа Центавра).

Де Камп в полной мере логично решил поискать планетную свиту звезды со столь неповторимыми чертями и скоро заключил, что не совершил ошибку. В первой половине 40-ых годов XX века он доложил на совещании Американского философского общества, что звезда Барнарда владеет несветящимся компаньоном, масса которого в 60 раза больше массы Юпитера. Для планеты многовато, а для звезды не хватает.

Де Камп осторожничал и назвал собственный гипотетическое тело легко объектом промежуточной массы.

Де Камп не первым выступил с подобным анонсом. В первой половине 40-ых годов двадцатого века его сотрудник по Спроуловской обсерватории Кай Ааге Стрэнд и астрологи из обсерватории Маккормака Дирк Рейл и Эрик Холмберг сделали подобные заявления. Стрэнд сказал об открытии у звезды 61 Лебедя компаньона массой в 16 Юпитеров, а Рейл и Холмберг нашли тело в полтора раза легче, находящиеся в собствености двойной звездной совокупности 70 Змееносца.

Но эти заявки не удалось подтвердить, и авторы от них отказались. А вот де Камп не сдался. В первой половине 60-ых годов двадцатого века он сказал, что полностью не сомневается в наличии у звезды Барнарда холодного спутника, но снизил его массу до 1,6 юпитерианской. Чуть позднее он подарил ей еще одну планету меньшего калибра. Но со временем эти выводы были неоднократно опровергнуты и планеты де Кампа пополнили перечень астрономических заблуждений. Подобная будущее постигла еще одного американского астролога — Джорджа Гэйтвуда.

Приходится признать, что астрометрия до тех пор пока что не принесла для поиска экзопланет пользы.

Первые удачи: радиопоиск

Первый успех в поиске экзопланет достался не оптике, а радиотехнике. Но, это конечно. Как мы знаем, в космосе достаточно источников строго периодических радиосигналов — радиопульсаров (это скоро вращающиеся нейтронные звезды, обладающие сильной магнитосферой).

Генерируемые на их магнитных полюсах замечательные направленные пучки радиволн обрисовывают в пространстве конические поверхности. В случае если на таковой поверхности оказывается отечественная планета, луч пересекает ее на каждом обороте. Излучение регистрируют на Земле в виде периодических импульсов, почему и сами источники именуют пульсарами.

В случае если около пульсара обращаются планеты, то они своим притяжением чуть-чуть меняют темперамент его вращения и вызывают осцилляции принимаемого на Земле радиосигнала.

Планетные свиты искали у пульсаров В первую очередь 1970-х. Но лишь в первой половине 90-ых годов двадцатого века трудившиеся в Соединенных Штатах поляк Александр Волщан и канадец Дэйл Фрей доказуемо нашли две планеты, обращающиеся около миллисекундного пульсара PSR 1257+12, отдаленного от Солнца на 980 световых лет. Позднейшие вычисления продемонстрировали, что планет не две, а три.

Самая легкая из них в два раза тяжелее Луны, массы остальных равны 4,3 и 3,9 массы отечественной планеты. Само собой разумеется, они не годятся на роль прибежища судьбы любого мыслимого типа.

"Наверное," пульсары не богаты планетами. По крайней мере, позднее радиоастрономам удалось найти только еще одного представителя этого семейства. Им был пульсар PSR 1620−26, около которого обращается тело массой в два с половиной Юпитера.

И очевидно, что аппаратура, благодаря которой были сделаны эти открытия, трудится только для пульсаров и не годится для поиска несветящихся спутников простых звезд.

Доплеровская спетроскопия

Астрометрические способы в принципе (но пока не на практике) разрешают обнаруживать экзопланеты по смещениям двумерных траекторий звезд на небесной сфере. Исходя из этого они должны дать большой эффект , если плоскость планетной орбиты перпендикулярна лучу зрения на звезду. В случае если же с Почвы эта планетная совокупность будет видна не в анфас, а в профиль, перемещение планеты посильнее всего будет воздействовать не на положение звезды на небесной сфере, а на ее радиальную скорость по отношению к Почва.

Двигаясь в отечественном направлении, планета-спутник потянет за собой звезду, и эта скорость возрастет; в то время, когда же планета отправится на удаление, радиальная скорость звезды пара уменьшится. В следствии звезда с позиций земных наблюдателей будет покачиваться подобно маятнику в направлении «к нам — от нас».

Найти визуально такое смещение нереально, но в первом положении появляется доплеровское смещение спектральных линий звездного излучения в голубую сторону, а во втором — в красную. Потому, что планета обращается около звезды по замкнутой траектории со стабильным годом, подобные смещения окажутся строго периодичными. Их в полной мере возможно распознать посредством чувствительных спектроскопов.

Данный способ (именуемый кроме этого способом радиальных, либо лучевых, скоростей) трудится, даже в том случае, если угол, о котором шла обращение, не равен 90 градусов, но все-таки отличен от нуля. Очевидно, продолжительность наблюдений должна быть равна не меньше планетарного года, а значительно лучше — нескольких лет.

Охотники за экзопланетами поняли возможности этого способа еще в 1970-х годах. И не просто осознали, но и приступили к работе. Во второй половине 80-ых годов двадцатого века канадские астрологи Брюс Кэмпбелл, Гордон Уолкер и Стефенсон Янг сказали, что им предположительно удалось найти чёрный спутник Гаммы Цефея. Но они признали, что их аппаратура была не хватает чувствительна, дабы с уверенностью претендовать на открытие.

Четыре года спустя их выводы были поставлены под сомнение, но в 2003 году всецело обоснованы. Так что в этом смысле сегодняшний год можно считать юбилейным — первое открытие экзопланеты произошло 20 лет назад. Совершенно верно так же гарвардский астрофизик Дэвид Латам во второй половине 80-ых годов XX века заявил о вероятной идентификации планеты вблизи звезды HD 114762, но подтверждения этого открытия было нужно ожидать целых семь лет (действительно, до сих пор неизвестно, планета это либо коричневый карлик).

В начале 1990-х уже пара научных коллективов действительно занимались спектрометрическим поиском как несветящихся, так и весьма тусклых компаньонов звезд солнечного типа. Этим способом они сохраняли надежду найти не только экзопланеты, но и в далеком прошлом предсказанные теоретиками коричневые карлики, инфракрасные звезды с массой меньше 8% массы Солнца, в недрах которых нереально термоядерное горение простого водорода (действительно, в том месте может гореть дейтерий, но его запасов хватает ненадолго). И те и другие надежды оправдались 13 лет назад, причем по занятному совпадению в один момент.

Гонка за экзопланетами

Среди бессчётных охотников за экзопланетами вперед вырвались три научные группы. Одну составили уже упоминавшиеся канадцы Кэмпбелл и Уолкер, вторую — американцы Джеффри Марси и Пол Батлер (химик, но с астрономическими устремлениями), третью — доктор наук астрономии Женевского университета Мишель Мэйор и его аспирант Дидье Келоз.

Канадцы в полной мере имели возможность первыми добиться признанного успеха, потому, что больше вторых сделали для разработки устройств, разрешающих подметить «раскачивание» звезд. Но им снова не повезло. В первой половине 90-ых годов двадцатого века они опять претендовали на вероятное открытие экзопланеты, но их выводы не подтвердились. Американцам также никак не желала улыбнуться успех.

В том же году Марси сказал, что они отмониторили треть перечня намерено выбранных звезд, но результатов так и не взяли.

Швейцарцы тем временем приступили к систематическому поиску экзопланет, применяя спектрометр большого разрешения ELODIE, смонтированный в первой половине 80-ых годов XX века на 193-сантиметровом телескопе 1958 года обсерватории От-Прованс в Южной Франции. 23 ноября 1995 года они разместили в Nature статью, из которой мир определил о долгожданном открытии планеты, обращающейся около простой звезды. Всего через пара недель американцы подтвердили результат и сказали о регистрации еще пары экзопланет.

Планетарная астрономия раз и окончательно стала женой пределы Нашей системы. А позднее подобные открытия посыпались одно за вторым.

Ученые сходу осознали, что экзопланеты отличаются от спутников Солнца. Первая из них была обнаружена около звезды 51 Пегаса. Она обращается по круговой траектории с радиусом в 7,5 млн километров, совершая один оборот всего за 4,2 дней, и владеет очень солидной массой (0,47 массы Юпитера). Для сравнения: маленький Меркурий ни при каких обстоятельствах не подходит к Солнцу ближе, чем на 46 млн километров совершает полный оборот за 88 дней.

Обе планеты, о которых сказали американцы, кроме этого приводили к удивлению. Это очевидно были газовые гиганты — 2,54 и 7,44 массы Юпитера. Наряду с этим они также были подозрительно родными к своим звездам — 47 Громадной Девы и 70 Медведицы: их громадные полуоси равняются, соответственно, 2,1 и 0,48 а.е. (Юпитер отдален от Солнца на 5,2 а.е.).

Вторая планета к тому же движется по очень вытянутой орбите с эксцентриситетом 0,4, в два раза громадным, нежели у Меркурия.

Звездные затмения

Экзопланеты отлавливают и посредством фотометрии — определения колебаний видимой яркости звездного света. Очевидно, это вероятно лишь в том случае, если планета иногда проходит между своей звездой и Землёй. Амплитуда уменьшения светового потока пропорциональна квадрату отношения радиусов затмевающего и затмеваемого тела.

Так, в случае если диаметр планеты равен одной десятой диаметра звезды (таково соотношение геометрических Солнца и параметров юпитера), она перекроет одну сотую звездного света, а планета земного размера уменьшит яркость звезды на одну десятитысячную.

Фотометрический способ не только приносит данные о составе и наличии воздуха планеты, но и расширяет возможности доплеровской спектроскопии. Вправду, в случае если планета затмевает звезду, то доплеровская спектроскопия дает не минимальную, а настоящую оценку планетарной массы (см. врезку).

В осеннюю пору 1999 года Дэвид Шарбонне и Тимоти Браун в первый раз применили связку этих двух способов — спектрометрически распознали наличие спутника у звезды HD 209458, а после этого зарегистрировали и периодические провалы на кривой колебаний ее яркости. Полученные эти разрешили узнать, что масса планеты образовывает 0,69 массы Юпитера, а диаметр — полтора юпитерианских. Позднее затменный эффект данной планеты с намного большей точностью подтвердили устройства орбитального телескопа «Хаббл» и астрометрического спутника «Гиппарх».

В базе второй разновидности фотометрического отлова внесолнечных планет лежит явление гравитационного микролинзирования. Первоначально его применяли для поиска тусклых маломассивных звезд. Появлявшись между Почвой и далеким броским светилом, такая звезда своим тяготением искривляет его лучи и временно увеличивает его видимый блеск. В случае если звезда владеет спутником, световая кривая пара изменяется. В первый раз таким методом увидели далекую планету в 2003 году.

Способ сам по себе очень действен, но не допускает повторных наблюдений.

Успешная погоня за экзопланетами не только дала астрономии богатейшую данные, вместе с тем привлекла к данной науке публичное внимание и очень сильно увеличила ее престиж. А это благоприятно отразилось на финансировании новых проектов. Исходя из этого нет ничего необычного, что разработка устройств следующих поколений, предназначенных для для того чтобы поиска, идет полным ходом.

Но о них — в следующем номере.

Способ радиальных скоростей

    5 Способов обнаружения экзопланет

Методика доплеровского измерения периодических вариаций радиальных скоростей снабжает промеры только в одном направлении. Амплитуда осцилляций радиальной скорости для пары «звезда — одиночная планета» описывается формулой:

K=28,4 P-1/3MJsin a (MJ + MS)-2/3 (1-e2)-½

Тут К — амплитуда в метрах в секунду;

P — период обращения планеты в земных годах;

MJ — масса планеты в долях массы Юпитера;

a — угол между нормалью к орбитальной плоскости планеты

и направлением на Землю;

Ms — масса звезды в солнечных весах;

e — эксцентриситет планетарной орбиты.

Жители далекой экзопланеты, замечающие Солнечную совокупность «с ребра» (для них a=90°), имели возможность бы вычислить, что Юпитер в одиночку вызывает осцилляции радиальной скорости Солнца с амплитудой 12,5 м/с. Такие сдвиги возможно найти посредством аппаратуры, которая была у их земных сотрудников в конце XX столетия.

Что же дают доплеровские измерения радиальных скоростей? Спектральный ее масса и класс звезды известны заблаговременно. Период обращения планеты выяснить легко — он сходится с длительностью полного цикла трансформаций радиальной скорости.

Эксцентриситет также поддается оценке. Зная эксцентриситет и период обращения, возможно элементарно вычислить громадную и малую полуось планетарного эллипса. Так, спектроскопические измерения разрешают определить значения параметров K, P, Ms и e. Подставив их в формулу, возможно узнать, чему равна масса планеты, умноженная на синус альфы.

Но современные способы не разрешают измерить данный угол. Исходя из этого доплеровские промеры звездных качаний определяют не настоящую массу планеты-спутника, а только ее нижнюю границу.

Юпитеры: тёплые и холодные

    Количество открытых экзопланет в возможности и различные годы разных способов их обнаружения (внизу) в зависимости от массы, параметров и размера орбиты

Осцилляции радиальной скорости тем больше, чем больше масса планеты и чем меньше время ее полного оборота около звезды (либо, что то же самое, чем меньше громадная полуось ее орбиты). К тому же для определения параметров короткопериодической орбиты за звездой необходимо замечать в течение дней, недель, пускай кроме того месяцев, но все же не продолжительных лет.

Это указывает, что этот способ очень подходит для идентификации тяжелых газовых гигантов, обращающихся вблизи собственных звезд и очень сильно нагретых их излучением. Множество таких планет, взявших наименование «тёплых Юпитеров», уже угодило в копилку к астрологам.

«Холодные Юпитеры» отыскать сложнее. Если бы «отечественный» Юпитер сидел на орбите Сатурна (радиус около 10 а.е.), амплитуда скорости солнечных колебаний составила бы для него 6 м/с. Ее возможно без неприятностей измерить сейчас существующими спектроскопами, предел чувствительности которых достигает 1 м/с.

Но такие наблюдения нужно вести не меньше одного сатурнианского года — а это 30 земных (отметим, что способ радиальных скоростей дал первые результаты всего 20 лет назад).

Статья «Свита звезд» размещена в издании «Популярная механика» (№75, январь 2009).

Что такое экзопланеты


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: