- Із Землі з космосу
- Що ми знаємо про екзопланети
- протопланетного пил
- густонаселена Всесвіт
- Проблема гарячих Юпітерів
- єретичний підхід
Успіхи в виявленні екзопланет залучили до цієї області астрономії не тільки суспільна увага, але і фінансування. Тому зараз повним ходом йде розробка приладів наступних поколінь.
Ще п'ять років тому межа чутливості інструментів для вимірювання коливань зіркових радіальних швидкостей не перевищував трьох-чотирьох метрів в секунду. Така апаратура дозволила перевірити на предмет наявності екзопланет юпітеріанского типу близько 2000 сонцеподібних зірок, розташованих в радіусі 150 світлових років від Сонця. А потім з'явилася можливість заглянути подалі.
У 2004 році в чилійській високогірній обсерваторії La Silla Paranal (це частина Південної європейської обсерваторії) заробив спектрометр HARPS (High Accuracy Radial Velocity Planetary Search), встановлений на 360-см телескопі (який був введений в дію в 1977 році і повністю модернізований в 1999 м). Цей прилад забезпечує промір швидкостей з точністю до 1 м / с і поки не має собі рівних. Втім, вчені вже обговорюють плани по передбачуваної установки спектрографа з роздільною здатністю в 10 см / с на одному з телескопів Північної півкулі (роботи по його конструювання і будівництва займуть близько п'яти років).
Із Землі з космосу
Не варто на місці і фотометрія. 27 грудня 2006 на навколоземну полярну орбіту з Байконура був запущений оснащений 25-см телескопом французький супутник COROT. Він призначений для збору інформації про внутрішню структуру зірок і пошуку екзопланет затемненим методом. Повідомлення про першу удачу з'явилося вже в травні 2007 року. Космічний спостерігач виявив газовий гігант (який отримав ім'я COROT-Exo-1b), який приблизно кожні 36 годин робить повний оборот навколо жовтого карлика, віддаленого від нас на 1500 світлових років. Доплеровская спектроскопія показала, що маса цього тіла становить 1,3 маси Юпітера. Космічної обсерваторії COROT під силу також пошук планет земного типу і супутників газових гігантів. До середини 2008 року вона досліджувала на наявність супутників більше 50 000 зірок.
Зона населеності навколозоряних зона населеності - область навколо зірки з умовами, при яких можливе зародження і підтримання життя. На поверхні планети, розташованої в цій зоні, вода може перебувати в рідкому стані, а саме цей фактор важливий для біохімії життя на основі вуглецю. Розмір і розташування цієї області залежать від розміру і світності зірки. У списку відомих екзопланет переважають тіла калібру Юпітера. Подібні газові гіганти найлегше виявити за допомогою існуючих методів - доплеровской спектроскопії і фотометрії. На малюнку зліва направо показані дві найменші планети, які після доплерівського виявлення були вивчені за допомогою фотометрії - Gliese 436b і HD 149026b. Праворуч від них розташований Юпітер.
Навесні 2009 року NASA виведе на орбіту супутник аналогічного призначення Kepler з метровим телескопом. Європейське космічне агентство працює над програмами космічних місій PLATO, SEE-COAST, PEGASE і DARWIN, які теж стануть шукати екзопланети, причому різними способами. Розмах цих проектів вражає. DARWIN - флотилія з п'яти кораблів, виведених на околосолнечную орбіту в другу точку Лагранжа по відношенню до Землі. Чотири станції, оснащені телескопами з апертурами в 1-2 м, утворюють надчутливий оптичний інтерферометр космічного базування, а той час як п'ятий корабель буде інтегрувати отриману інформацію і переправляти її на Землю. DARWIN зможе не тільки знайти планету земного типу, а й проаналізувати її атмосферу. Ці проекти будуть реалізовані не раніше 2015 року.
Позасонячні планети можна зареєструвати і іншими способами. Зоряне світло в чистому вигляді не поляризоване, але при відображенні від поверхні планети набуває слабку поляризацію. В даний час кілька наукових груп ведуть пошук екзопланет за допомогою поляриметрів, змонтованих на потужних телескопах.
Що ми знаємо про екзопланети
До осені 2008 року було відомо 306 екзопланет. Майже всі вони (приблизно 88%) поки вважаються одиночними супутниками своїх зірок. Це зовсім не означає, що вони не мають компаньйонів, просто про їхнє існування поки ще не відомо. До теперішнього часу зареєстровано 29 планетних систем, що належать звичайним зірок, і вже згадувана трехпланетная система пульсара PSR 1257 +12.
Все многопланетние системи були відкриті методом доплерівського вимірювання радіальних швидкостей, завдяки якому і була знайдена левова частка (95%) позасонячних планет. Додаткова інформація про 56 з них (виключно одиночних) була отримана за допомогою фотометричної техніки. Сім екзопланет виявили за допомогою мікролінзування, п'ять - прямим фотографуванням. У 2007 році на орбіті навколо вже зовсім особливою зірки, гарячого пульсуючого субкарлики HS 2201 + 2610, яка колись була червоним гігантом, а зараз перетворюється в білий карлик, була виявлена газова планета з масою більше трьох Юпітерів (її і знайшли особливим способом, зі зміни періоду пульсацій). І ще чотири планети належать пульсара. Разом: 289 + 7 + 5 + 1 + 4 = 306.
Більшість відомих екзопланет обертається навколо зірок спектральних класів K, G і F, до другого з яких належить і наше Сонце. Маси цих зірок складають від 0,8 до 1,7 сонячної маси, а поверхнева температура - від 3,5 до 7,5 тисячі кельвінів. Почасти це пояснюється тим, що саме у таких зірок екзопланети і шукають, але є й інші причини. Найгарячіші блакитні і біло-блакитні зірки спектральних класів О і В випускають потужні потоки електромагнітного випромінювання і швидких частинок, які перешкоджають конденсації речовини протопланетних дисків. Найдрібніші і холодні - червоні карлики спектрального класу М --менш схильні до планетогенезу, або володіють невеликими планетами, які поки не піддаються виявленню.
NASA вивчає можливість будівництва в майбутньому космічного телескопа Terrestrial Planet Finder (TPF). З його допомогою планується не тільки виявляти земплеподобние планети, а й вивчати їх з точки зору можливості існування життя.
Спектр нижніх меж мас відомих екзопланет простирається від 3,2 маси Землі (це 0,01 маси Юпітера) до 17,5 маси Юпітера. Найлегша планета, яка обертається навколо зірки MOA-2007-BLG-192-L (близько 3000 світлових років від Сонця), була виявлена навесні 2008 року методом мікролінзування. Друга за дрібноту екзопланета має масу в 4,2 земної; її разом з парою сусідок, в півтора-два рази важче, практично одночасно відкрили за допомогою спектрографа HARPS. Кам'янисті планети такого типу, маси яких не перевищують 30 земних мас, іноді називають супер-Землями. Інформація, отримана за допомогою HARPS, дозволяє припустити, що подібними планетами володіє кожна третя сонцеподібним зірка нашої Галактики. Згідно з цими ж даними, газові гіганти є лише в однієї з 14 зірок цього типу.
Проте список відомих екзопланет в основному заповнений тілами юпітеріанского калібру, які найлегше виявити за допомогою допплерівської спектроскопії. Серед них чисельно переважають планети з масою не більше двох мас Юпітера. Частка планет з масою вище восьми юпитерианских не складає і 10%, причому частина з них - напевно не планети, а коричневі карлики. Серед газових екзопланет чимало пегасідов (зобов'язаних назвою першої достовірно зареєстрованої екзопланете - супутнику зірки 51 Пегаса). До цієї групи відносять планети, які віддаляються від своїх зірок не далі, ніж на 0,05 а.о., і тому мають дуже короткі періоди. Особливе місце серед них займає OGLE TR 56b, планета з масою 1,45 маси Юпітера, яка підходить до зірки-господині на 0,02 а.о. Температура її поверхні досягає 1900 кельвінів - це навіть не гарячий, а воістину випалений Юпітер.
протопланетного пил
Ще один перспективний напрям екзопланетних досліджень - вивчення обертаються біля зірок дисків з пилу і дрібних твердих тіл, в яких, як прийнято вважати, утворюються планети. Видиме світло вони не пропускають, проте деталі їх будови можна спостерігати в ІК і радіодіапазоні. В цьому плані радионаблюдения багато перспективнішою, але для них потрібна апаратура, якої ще немає. Однак чекати залишилося недовго: в районі 2012 року в Атакаме буде введений в дію комплекс з декількох десятків (до 80) дванадцятиметрових «тарілкових» радіотелескопів, що діють як єдиний гігантський интерферометр. Система ALMA (Atacama Large Millimeter Array) буде сканувати небеса в міліметровому і субміліметровому діапазонах. ALMA зможе отримати інформацію про розмір, структуру і хімічний склад не надто віддалених протопланетних дисків. Вона також буде в змозі виявити більш-менш порожні тунелі всередині таких дисків, що виникли в результаті руху планет. Ще один гігантський радіоінтерференціонний комплекс аналогічного призначення SKA (Square Kilometer Array) припускають побудувати в Австралії або ПАР (місце остаточно ще не вибрано). SKA почне роботу вже після 2015 року.
густонаселена Всесвіт
«У сімействі вже відкритих екзопланет більшість складають газові гіганти помірної маси, екстрасонячних кузени Юпітера і Сатурна. Звідси випливає, що такі планети формуються досить часто, у всякому разі біля зірок головної послідовності, не надто відрізняються від Сонця. Однак вже відомі відносно легкі планети з більшою середньою щільністю речовини, які звертаються як поблизу, так і далеко від своїх зірок. Одні з них схожі на Уран і Нептун, в той час як інші швидше за все складені з кам'янистих порід, як Земля і її сусіди. Це означає, що в нашій Галактиці присутні планети все тих же трьох типів, представлених в Сонячній системі. Так що в цьому плані планетне оточення Сонця аж ніяк не є космічною екзотикою », - розповідає« Популярною механіці »Алан Босс з Відділу земного магнетизму Інституту Карнегі, один з найбільших фахівців в області сучасних моделей планетогенеза і автор щойно вийшла книги The Crowded Universe: The Search for Living Planets ( «Густонаселена Всесвіт: пошук існуючих планет»).
«Що все це означає в світлі сучасних моделей планетогенеза? Палеонтологи практично одностайні в думці про процеси формування кам'янистих планет, що обертаються у відносній близькості від зірок. Відповідно до загальноприйнятої моделі, вони виникають в допланетного рої за рахунок зіткнення і злипання більш дрібних попередників. Зародки майбутніх планет поглинають своїх сусідів і швидко збільшуються в розмірах, одночасно очищаючи рій від його речовини, - говорить Алан Босс. - Основи цієї моделі розробив блискучий російський планетолог Віктор Сафронов, з яким я неодноразово зустрічався. Більш того, в сімдесяті роки я вирішив зайнятися саме теоретичної планетологією після того, як прочитав англійський переклад його книги по теорії планетообразования.
Проблема гарячих Юпітерів
Ще одна серйозна теоретична проблема позасонячної планетології - історія гарячих Юпітерів. Ніхто не сумнівається, що вони ніяк не могли виникнути там, де перебувають в даний час - в пронизаних швидкими частинками і випромінюваннями околицях зірок. Вважається, що вони сформувалися на пристойному видаленні від зірок, а потім якось перемістилися на свої нинішні орбіти. Для пояснення цієї міграції існують два основні підходи. Один з них передбачає, що гарячі Юпітери виникали поблизу інших планет, які відкинули їх до зірок завдяки ефекту гравітаційної рогатки. Відповідно до закону збереження кутового моменту самі ці планети повинні піти на віддалені орбіти з великими періодами, де їх важко виявити сучасними методами.
Але цей сценарій не дуже популярний. При подібному механізмі міграції типові фінальні орбіти повинні бути сильно витягнутими, а ми знаємо безліч гарячих Юпітерів, які рухаються практично по кругових траєкторіях. Правда, можна припустити, що спочатку вони дійсно виходили на орбіти з великими ексцентриситетами, які перетворювалися в окружності за рахунок приливних сил. Проте, явний дефіцит гарячих Юпітерів на ексцентричних орбітах являє для цієї моделі чималі труднощі.
Згідно з іншим сценарієм, майбутні гарячі Юпітери сформувалися настільки швидко, що не встигли вимести речовина з протопланетного диска. В цьому випадку тяжіння планети може породити всередині диска хвильові обурення, що створюють доцентрову силу, яка по спіралі штовхає планету до зірки. В результаті цих збурень газ витрачає енергію на внутрішнє тертя і падає на зірку, захоплюючи за собою планету. Зрештою планета стабілізується на круговій або майже круговій орбіті, хоча причини цього ще не ясні. Можливо, це відбувається під впливом приливних сил або ж під впливом зоряного магнітного поля. Обрахунок цієї моделі на суперкомп'ютерах показав, що таким чином планета може скоротити відстань до зірки на два порядки. Якщо в момент формування воно становило 5 а.о., як у Юпітера, то остаточна дистанція дорівнюватиме 0,05 а.о., що типово для пегасідов.
Дуже вдало, що біля Сонця нічого подібного не відбувалося - в іншому випадку ви не читали б зараз цю статтю. Цілком можливо, що унікальність Сонячної системи в тому й полягає, що вона сформувалася без особливих пригод.
Більшість фахівців вважають, що щільні ядра газових планет швидше за все утворюються за цією ж схемою - за рахунок акумуляції твердих тіл і їх виметення з допланетного рою. Поступово вони досягають критичної маси і починають інтенсивно поглинати зустрічаються на шляху молекули газу. Можна собі уявити, що саме так виникли Юпітер і Сатурн. Освіта Урана і Нептуна можна пояснити аналогічним чином, однак з урахуванням того, що на їх частку дісталося багато менше газу. Ця теорія існує вже три-чотири десятки років і теж сходить до робіт Сафронова і його колег ».
єретичний підхід
«Однак це аж ніяк не єдина можливість, - продовжує Алан Бос. - Років десять тому я почав працювати над альтернативною моделлю формування газових гігантів, в якій передбачається, що в допланетного газі виникають зони гравітаційної нестійкості, внаслідок чого формуються згустки. Вони стискаються під дією власної ваги і акумулюють дрібні тверді частинки, які збираються в їх центрі і утворюють ядро планети. Тобто в сафроновской моделі газові оболонки формуються навколо готових кам'янистих ядер, в той час як у мене виникнення ядер виявляється вторинним процесом, наслідком газової конденсації.
Я називаю свій підхід єретичним, оскільки у нього ще мало прихильників. Варто відзначити, що він задає набагато коротший темп формування газових гігантів в порівнянні з аккреционного моделлю. Обчислення показали, що газові згустки виникають за все за сотні років, в той час як типові терміни аккреционного формування ядра в тисячі разів більше. Швидше за все в освіті газових гігантів задіяні обидва процеси, справа лише в тому, коли якийсь домінує. Якщо околиці зірки бідні важкими елементами, щільність твердих компонент допланетного рою виявиться недостатньою для ефективної акреції, і планетогенез почнеться з газової конденсації. А в зворотній ситуації аккреция може переважати. У всякому разі, планети з найбільш масивними твердими ядрами, цілком ймовірно, утворюються саме по аккреционного сценарієм. Можна припустити також, що нерідко обидва процеси на рівних беруть участь у формуванні планет. Але ми ще занадто мало знаємо, щоб зробити остаточні висновки ».
Стаття опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №2, Березень 2009 ).
«Що все це означає в світлі сучасних моделей планетогенеза?