Считается, что таким образом будет получен ответ на вечный вопрос: одиноки ли мы во Вселенной? «Профиль» рассказывает, чего современная наука достигла в изучении экзопланет.
Космическая охота
Экзопланетой называют любую планету за пределами Солнечной системы («экзо» значит «внешняя»), необязательно похожую на Землю. Но и планеты других типов являются ценными находками, поскольку их трудно обнаружить: звезды, вокруг которых они вращаются, затмевают их своим светом. Еще 30 лет назад астрономы не были уверены, что планеты есть где-то еще, кроме Солнечной системы.
Первая экзопланета была обнаружена в 1988 году, но потребовалось 10 лет на верификацию: был риск спутать планету с коричневым карликом – небесным телом, которое типологически ближе к звезде (поскольку внутри идут термоядерные реакции), но недотягивает до нее по размеру. В итоге первой подтвержденной экзопланетой стала 51 Пегаса b (имена дают по ближайшей звезде, добавляя строчную букву: a, b, c и так далее), зарегистрированная учеными из Швейцарии в 1995 году.
Сколько человечество тратит на исследования космоса, и какова отдача от этих вложений
До сих пор астрономы рады любым планетам, стремясь составить как можно более полный их каталог (есть даже понятие exoplanet hunter – «охотник за экзопланетами»). На 20 июля 2020 года перечень включает 4295 планет в 3175 звездных системах. Главный результат: доказано, что планеты – типичное явление для Вселенной. Судя по результатам компьютерного моделирования, только в нашей Галактике их около 100 миллиардов.
Проблема в том, что изучить их все мы не в состоянии: существующая техника позволяет «видеть» экзопланеты на расстоянии до 3000 световых лет от Земли, а для подробного описания доступна еще меньшая зона – не далее двух сотен световых лет.
Сама фиксация планеты требует сложных расчетов, связанных с наблюдениями за состоянием звезд. Так, известно, что в звездной системе силы гравитации действуют в обоих направлениях: не только удерживают планеты, но и меняют положение самой звезды. Заметив «колебания» последней, можно сделать вывод о наличии поблизости планеты и вычислить ее массу с помощью метода лучевых скоростей. Он применяется в наземных обсерваториях и уже позволил открыть 888 экзопланет.
Альтернативный метод – транзитный – состоит в том, чтобы замерять кратковременные перепады яркости звезд: если они происходят с определенной периодичностью, значит, это вызвано прохождением планеты на фоне звезды. Здесь уже требуется высокоточный орбитальный телескоп, поскольку падение светимости зачастую микроскопическое (на тысячные доли процента). Да и в целом должно повезти, чтобы орбита планеты прошла строго поперек линии наблюдения за звездой. Тем не менее телескопы-спутники засекли транзит 3063 экзопланет, особенно отличился «Кеплер» (2009–2013 гг.), также помогают TESS (с 2018-го), «Спитцер» (до 2020-го) и «Хаббл».
Помимо этого используется метод микролинзирования (также основан на перепадах яркости небесных тел), метод тайминга (отслеживание совокупности параметров звездной системы и расследование найденных нестыковок) и несколько других. Иногда с экзопланетой можно установить прямой визуальный контакт, но это редкое явление – до сих пор удалось сфотографировать 139 таких планет. Как правило, на перепроверку расчетов уходят годы: в течение этого срока предполагаемая планета ходит в «кандидатах», а иногда случаются и «закрытия» экзопланет.
Суперземля в иллюминаторе
Исходя из текущих возможностей астрономов, найти экзопланеты размером с Землю довольно сложно. Метод лучевых скоростей дает убедительный результат, только если планета велика и к тому же находится близко к звезде (тогда смещения светила заметны). То же самое с транзитным методом: маленькие планеты дают слишком незначительное затемнение поверхности звезды, а если они еще далеко расположены, то период оборота чересчур велик, чтобы найти закономерности в перепадах яркости.
Поэтому большинство найденных экзопланет попадают в одну из двух условных категорий – «больше Земли» и «сильно больше Земли» (что не говорит об отсутствии планет земных размеров во Вселенной). Вторая категория сопоставима с газовыми гигантами Солнечной системы – Юпитером, Сатурном, Нептуном. Главное различие в том, что наши гиганты расположены далеко от Солнца, из-за чего на их поверхности крайне холодно. Тогда как «экзогиганты» обычно вращаются в непосредственной близости от своих звезд, представляя собой так называемые горячие юпитеры. В другой категории собраны планеты с массой не более чем в 10 земных – суперземли.
Запуски к Марсу и «небесный интернет»: что ждать от космонавтики в 2020 году
Впрочем, и гиганты, и суперземли – это лишь характеристика размера, по химическому составу они могут быть любыми. Пожалуй, удивительное разнообразие космических миров – главная находка экзопланетологии: как в фильме «Интерстеллар», только еще поразительнее! В частности, среди газовых гигантов выделяют рыхлые планеты (например, TrES-4 по плотности в несколько раз уступает Юпитеру, не может удержать свою атмосферу и испаряется на лету, оставляя за собой газовый хвост, как комета), супер-юпитеры (из-за колоссальной массы внутри них запускаются термоядерные реакции, и планета переходит в разряд субзвезд), эксцентрические юпитеры (объекты с выраженной эллиптической орбитой, вызывающей резкие перепады температур на поверхности, – она то каменеет, то дымится).
В свою очередь, суперземля может быть пустынной (наподобие Марса или многочисленных планет из фантастических фильмов – от «Звездных войн» до «Кин-дза-дза») или углеродной (являя собой цельный алмазный шар, как PSR J1719-1438 b). Если суперземля оказывается слишком близко к звезде, то условия на ней напоминают классическое изображение ада: плавится порода, испаряется металл, текут океаны лавы и даже идут каменные ливни, как у CoRoT-7 b. В зависимости от структуры такие планеты называют хтоническими или железными, но суть одна: жар от звезды «спалил» всю атмосферу (даже если раньше планета была газовым гигантом, окутанным многокилометровыми облаками), обнажив раскаленное ядро.
Отдельный подвид составляют водные планеты. Экзопланетология доказала, что вода – довольно частое явление во Вселенной (что закономерно: водород и кислород – два из трех самых распространенных химических элементов). Согласно июньскому исследованию NASA, обширные бассейны воды есть на каждой четвертой планете. При этом в зависимости от расстояния до звезды (которое, к слову, может меняться по мере развития планеты) они могут принимать разный облик, делая планету то ледяной, то океанической, то паровой.
Но это еще не все. Три состояния воды имеют четкие различия на Земле. Однако на экзопланетах глубина океанов может составлять сотни километров (так, у GJ 1214b она достигает 1600 км, а доля океанов в массе планеты в 200 раз выше, чем на Земле). Как недавно выяснили в Университете штата Аризона, такие океаны не имеют определенного дна: в нижних слоях вода под действием колоссального давления переходит в полутвердое состояние. С другой стороны, нет и единого «уровня моря»: ближе к поверхности океан сливается с атмосферной оболочкой (фаза сверхкритической жидкости).
Но и помимо этого экзопланетный мир полон удивительных находок. Черные-черные планеты, целиком поглощающие падающий на них свет (HD 149026 b, TrES-2 b). Планеты-спринтеры, «обегающие» свою звезду менее чем за одни земные сутки (рекорд у SWEEPS-10 – 10 часов; благо ее звезда светит слабо, иначе планета давно бы «спеклась»). Разнообразные «планеты-убийцы»: Kepler-70 b с температурой 6800 градусов по Цельсию (для сравнения: на поверхности Солнца 5500 градусов); HD 189733 b с дождями из раскаленного стекла и невероятными ураганами (8700 км/ч); WASP-121 b, деформируемая гравитацией своей звездой так сильно, что превратилась в яйцо.
Также доказано, что планеты могут существовать в системах из нескольких звезд (к примеру, находясь на HD 188753 Ab, можно одновременно созерцать три солнца) и вообще вне звездных систем (так называемые планеты-сироты). Очевидно, мы только в начале пути: не проходит и месяца без знаменательных открытий. А как насчет планет с пригодными для жизни условиями? И здесь есть на что надеяться.
