Что такое экзопланета?
Планеты, вращающиеся вокруг звезды, отличной от Солнца, называют «экзопланетами». Первая экзопланета была подтверждена в середине 1990-х годов, и с тех пор астрономы обнаружили тысячи новых миров. Однако эти планеты настолько далеки, что сфотографировать их напрямую практически невозможно даже самыми мощными телескопами — это как пытаться разглядеть светлячка рядом со свечой с расстояния в несколько километров. Поэтому астрономы разработали методы, измеряющие косвенное влияние планеты на звезду, вместо того чтобы пытаться увидеть саму планету.
Почему это так сложно?
Звезда в миллионы раз ярче вращающейся вокруг неё планеты. С Земли эта разница в яркости полностью «топит» планету в свете звезды. По данным NASA, именно поэтому большинство учёных обнаруживают экзопланеты не путём прямого наблюдения, а отслеживая небольшие изменения в поведении звезды.
Транзитный метод
Самая результативная методика известна как «транзитный метод». Когда планета проходит между Землёй и своей звездой, она создаёт крошечное, но регулярное затемнение света звезды — подобно тому, как Луна частично закрывает Солнце во время солнечного затмения. Телескопы непрерывно отслеживают яркость звезды на протяжении недель, месяцев или даже лет, выискивая эти повторяющиеся провалы.
Миссия NASA «Кеплер» и её продолжение K2 подтвердили таким способом более 3000 планет. Действующий сейчас спутник TESS аналогичным образом сканирует яркие звёзды вблизи Земли, находя планеты-кандидаты для более детального последующего изучения. Величина затемнения даёт информацию о размере планеты, а интервал между затемнениями указывает, насколько близко планета вращается вокруг своей звезды и сколько длится её «год».
Метод радиальных скоростей
Пока планета вращается вокруг звезды, они обе фактически движутся вокруг общего центра масс — то есть сама звезда слегка «покачивается», пусть и совсем незначительно. Это покачивание вызывает измеримый сдвиг в цвете света, идущего от звезды: когда звезда приближается к нам, её свет немного смещается в синюю сторону, а когда удаляется — в красную. Это называется «эффектом Доплера» — тем же физическим принципом, по которому сирена приближающейся машины скорой помощи звучит выше, а удаляющейся — ниже.
Этот метод использовался при некоторых из первых в истории открытий экзопланет и особенно эффективен для обнаружения крупных планет, расположенных близко к своей звезде. В сочетании с транзитным методом учёные могут вычислить как размер планеты, так и её массу — а из этих двух величин определить её плотность, то есть понять, каменистая она или газовая.
Прямое наблюдение и микролинзирование
В некоторых случаях астрономы действительно могут «увидеть» планету. Для этого на телескопы устанавливают своего рода маску — коронограф, — которая блокирует яркий свет звезды, делая видимыми более тусклые точки вокруг неё. Однако этот метод работает только для очень крупных и молодых (а значит, всё ещё горячих и относительно ярких) планет, находящихся далеко от своей звезды; на сегодняшний день таким способом обнаружено менее сотни планет.
Ещё одна, более редкая техника — «гравитационное микролинзирование» — заключается в том, что свет далёкой звезды временно усиливается гравитацией другой звёздно-планетной системы, проходящей перед ней. Небольшой пик на этой кривой усиления может указывать на наличие планеты в фоновой системе. У этого метода есть преимущество: он позволяет обнаруживать гораздо более далёкие планеты, чем другие техники, но поскольку такое же выравнивание никогда не повторяется, подтвердить находку сложно.
Анализ атмосферы с помощью «Джеймса Уэбба»
После открытия планеты главный вопрос обычно звучит так: а что на ней есть? Здесь на помощь приходит спектроскопия. Когда планета проходит перед своей звездой, часть звёздного света проходит сквозь её атмосферу. Этот свет слегка поглощается на разных длинах волн различными молекулами атмосферы, оставляя своего рода «химический отпечаток».
Космический телескоп «Джеймс Уэбб» — один из самых чувствительных инструментов, когда-либо созданных для изучения этих следов. Благодаря ему в атмосферах некоторых экзопланет удалось обнаружить водяной пар, углекислый газ, метан и натрий. Одна из целей будущих миссий — расширить этот метод до поиска биологических признаков, связанных с жизнью.
Будущие миссии
Большинство обнаруженных на сегодняшний день экзопланет находятся в узком участке неба, который сканировали такие миссии, как «Кеплер». Планируемый к запуску космический телескоп имени Нэнси Грейс Роман предназначен для сочетания транзитного метода и микролинзирования, чтобы просканировать гораздо более широкую область, что, вероятно, выявит тысячи новых кандидатов. Миссия Европейского космического агентства PLATO аналогичным образом сосредоточена на поиске каменистых планет земного типа, особенно расположенных в обитаемой зоне своих звёзд.
Общая цель этого нового поколения инструментов — не просто ответить на вопрос «сколько там планет», а заранее определить, какие планеты заслуживают более детального изучения, особенно анализа атмосферы с помощью таких телескопов, как «Джеймс Уэбб». Между знанием о существовании планеты и пониманием того, что на ней есть, по-прежнему остаётся огромная разница — и именно эту разницу сегодня пытается сократить астрономия.
Известный пример: система TRAPPIST-1
Чтобы увидеть, как эти методы работают на практике, хорошим примером служит система TRAPPIST-1. Вокруг этой холодной карликовой звезды, расположенной примерно в 40 световых годах от Земли, транзитным методом было обнаружено семь каменистых планет — одна из самых «населённых» известных экзопланетных систем. Несколько из этих планет находятся в так называемой «обитаемой зоне» звезды — диапазоне расстояний, где теоретически может существовать жидкая вода. Космический телескоп «Джеймс Уэбб» продолжает наблюдать за этой системой, чтобы понять, есть ли у планет атмосфера; полученные на сегодня данные указывают, что у самых внутренних планет нет плотной атмосферы, однако исследования внешних планет продолжаются.
Почему это важно?
Исследования экзопланет — это не просто каталогизация далёких миров; они помогают понять, насколько типична или исключительна наша собственная Солнечная система, как формируются планеты и как часто во Вселенной могут возникать условия, благоприятные для жизни. Каждый новый метод обнаружения добавляет ещё один фрагмент данных, приближающий нас к ответу на вопрос: «Одиноки ли мы?»