Экзопланета

Экзоплане́та (др.-греч. εξω, exo — вне, снаружи), или внесолнечная планета — планета, обращающаяся вокруг звезды за пределами Солнечной системы. Планеты чрезвычайно малы и тусклы по сравнению со звёздами, а сами звёзды находятся далеко от Солнца (ближайшая — на расстоянии 4,22 световых года). Поэтому долгое время задача обнаружения планет возле других звёзд была неразрешимой, первые экзопланеты были обнаружены в конце 1980-х годов. Сейчас такие планеты стали открывать благодаря усовершенствованным научным методам, зачастую на пределе их возможностей.

К 14 февраля 2012 года подтверждено существование 760 экзопланет в 609 планетных системах, из которых в 100 более чем одна планета. Следует отметить, что количество надёжных кандидатов в экзопланеты значительно больше. Так по проекту «Кеплер» на 21 декабря 2011 года числится ещё 2326 экзопланет, однако для получения статуса подтверждённых требуется повторная регистрация таких планет с помощью наземных телескопов.

Общее количество экзопланет в галактике Млечный Путь по новым данным от 100 миллиардов, из которых ~ от 5 до 20 миллиардов возможно являются «землеподобными». Также согласно текущим оценкам около 34 процентов солнцеподобных звёзд имеют в обитаемой зоне планеты, сравнимые с Землёй.

Подавляющее большинство открытых экзопланет обнаружено с использованием различных непрямых методик детектирования, а не визуального наблюдения. Большинство известных экзопланет — газовые гиганты и более походят на Юпитер, чем на Землю. Очевидно, это объясняется ограниченностью методов обнаружения (легче обнаружить короткопериодичные массивные планеты).

История открытий

Количество экзопланет открытых разными способами:

Радионаблюдение пульсаров      Метод радиальных скоростей      Транзитный метод      Метод синхронизации

Визуальное наблюдение      Гравитационное линзирование      Астрометрический метод

Анимация хронологии открытия экзопланет. Цвет точки означает метод открытия. Горизонтальная ось — размер большой полуоси. Вертикальная ось — масса. Для сравнения белым цветом обозначены планеты солнечной системы

Исторически первым заявлением о возможности существования планетной системы у другой звезды было сообщение капитана Джейкоба (Capt. W. S. Jacob), астронома Мадрасской обсерватории (East India Company’s Madras Observatory), сделанное в 1855 г. В нём сообщалось о «высокой вероятности» существования «планетарного тела» в двойной системе 70 Змееносца. Позже, в 1890-х годах, астроном Thomas J. J. See из Чикагского университета и Военно-Морская обсерватория США подтвердили наличие в системе 70 Змееносца несветящего тела (невидимого спутника) с периодом обращения в 36 лет.

Первые попытки найти планеты вне солнечной системы были связаны с наблюдениями за положением близких звёзд. Ещё в 1916 году Эдуард Барнард обнаружил красную звездочку, которая «быстро» смещалась по небу относительно других звёзд. Астрономы назвали её Летящей звездой Барнарда. Это одна из ближайших к нам звёзд и по массе в семь раз меньше Солнца. Исходя из этого, влияние на неё планет, если они есть, должно было быть заметным. В начале 1960-х годов Питер Ван де Камп объявил, что открыл у неё спутник массой с Юпитер. Однако Дж. Гейтвуд в 1973 году выяснил, что звезда Барнарда движется без колебаний и, значит, массивных планет не имеет.

В конце 1980-х годов многие группы астрономов начали систематическое измерение скоростей ближайших к Солнцу звёзд, ведя специальный поиск экзопланет с помощью высокоточных спектрометров.

Впервые внесолнечная планета была найдена канадцами Б. Кэмпбеллом, Г. Уолкером и С. Янгом в 1988 году у оранжевого субгиганта Гамма Цефея A, но подтверждена лишь в 2002 году.

В 1989 году сверхмассивная планета (или коричневый карлик) была найдена Д. Латамом около звезды HD 114762. Однако её планетный статус был подтверждён только в 1999 году.

Первые экзопланеты были зарегистрированы у нейтронной звезды PSR 1257+12, их открыл астроном Александр Вольшчан в 1991 году. Эти планеты были признаны вторичными, возникшими уже после взрыва сверхновой.

В 1995 году астрономы Мишель Майор (англ.)русск. (Michel Mayor) и Дидье Келос (англ.)русск. (Didier Queloz) с помощью сверхточного спектрометра обнаружили покачивание звезды 51 Пегаса с периодом 4,23 сут. Планета, вызывающая покачивания, напоминает Юпитер, но находящийся в непосредственной близости от светила. В среде астрономов планеты этого типа так и называют «горячие юпитеры».

В дальнейшем, путём измерения лучевой скорости звёзд для поиска их периодического доплеровского изменения (метод Доплера) было обнаружено более сотни экзопланет.

В августе 2004 года в системе звезды μ Жертвенника была обнаружена первая планета—горячий нептун. Она обращается вокруг светила за 9,55 суток, на расстоянии 0,09 а. е., температура на поверхности ~ 900 K (+626 °C), масса ~ 14 масс Земли.

Первая сверхземля, обращающаяся вокруг нормальной звезды (а не пульсара), была обнаружена в 2005 году около звезды Глизе 876. Её масса — 7,5 масс Земли.

В 2004 году было получено первое изображение (в инфракрасных лучах) кандидата в экзопланеты у коричневого карлика 2M1207.

13 ноября 2008 года впервые удалось получить изображение сразу целой планетной системы — снимок трёх планет, обращающихся вокруг звезды HR 8799 в созвездии Пегаса. Это первая планетная система, открытая у горячей белой звезды раннего спектрального класса (А5). Все открытые ранее планетные системы (за исключением планет у пульсаров) были обнаружены вокруг звёзд более поздних классов (F-M).

13 ноября 2008 года также впервые удалось обнаружить планету Фомальгаут b вокруг звезды Фомальгаут путём прямых наблюдений.

В 2011 году Дэвид Беннетт из Университета Нотр-Дам (Индиана, США), объявил на основе наблюдений 2006—2007 годов на 1,8-метровом телескопе Университетской обсерватории Маунт Джон в Новой Зеландии об открытии с помощью метода микролинзирования 10 одиночных юпитероподобных экзопланет. Правда две из них могут быть высокоорбитальными спутниками ближайших к ним звёзд.

В сентябре 2011 года было объявлено об открытии двух экзопланет KIC 10905746 b и KIC 6185331 b любителями астрономии в рамках проекта Planet Hunters, предназначенного для анализа данных собранных телескопом «Кеплер». При этом упоминалось о 10 кандидатах в планеты, но на тот момент только два из них с достаточной степенью уверенности определялись учеными как экзопланеты. Планеты были найдены добровольными участниками проекта среди данных, которые профессиональные астрономы по тем или иным причинам отсеяли и если бы не помощь добровольцев, то эти планеты вероятно остались бы неоткрытыми.

5 декабря 2011 года телескопом Кеплер была обнаружена первая сверхземля в обитаемой зоне — Kepler-22 b

20 декабря 2011 года телескопом Кеплер у звезды Кеплер-20 были обнаружены первые экзопланеты размером с Землю и меньше — Kepler-20 e (радиусом 0,87 земного и массой от 0,39 до 1,67 масс Земли) и Kepler-20 f (0,045 массы Юпитера и 1,03 радиуса Земли).

22 февраля 2012 года ученые из Гарвард-Смистоновского центра астрофизики на расстоянии 40 световых лет от Земли открыли первую экзопланету из воды — GJ 1214 b. Планета обращается вокруг красного карлика за 38 часов и находится от него на расстоянии 2 миллионов километров. Температура её поверхности составляет около 230 °C.

Инструменты изучения экзопланет

Фотометрия экзопланеты Kepler-6b по данным телескопа «Кеплер»

• COROT (ЕКА) — специализированный 30-сантиметровый орбитальный космический телескоп, снимающий кривые блеска многих звёзд в момент прохождения перед ними планет. Запущен 27 декабря 2006 года. Предполагалось с его помощью обнаружить десятки планет земного типа. К марту 2010 года COROT открыл семь экзопланет и один коричневый карлик.
• «Кеплер» (НАСА) — космический телескоп системы Шмидта с диаметром зеркала 0,95 м, способный одновременно отслеживать 100 тыс. звёзд. Запущен 7 марта 2009 года. Планируется обнаружить около 50 планет, размерами идентичными Земле, и порядка 600 планет, в 2,2 раза превосходящих Землю по размеру. «Кеплер» будет обращаться вокруг Солнца по орбите радиусом в одну астрономическую единицу. Расчётный срок эксплуатации 3,5 года. К середине ноября 2011 года «Кеплер» открыл 25 экзопланет и имеет 1235 надежных кандидатов в экзопланеты.

Также в будущем планируется запуск:

• PEGASE — запуск ориентировочно в 2012 году.
• New Worlds Mission — запуск в 2013 году.
• систем инфракрасных телескопов IRSI/DARWIN (ЕКА) — запуск в 2015 году.
• Advanced Technology Large-Aperture Space Telescope (ATLAST) — запуск после 2025 года.

Методы поиска экзопланет

1. Метод Доплера — спектрометрическое измерение радиальной скорости звезды. Это самый распространённый метод. С его помощью можно обнаружить планеты с массой не меньше нескольких масс Земли, расположенные в непосредственной близости от звезды, и планеты-гиганты с периодами до примерно 10 лет. Планета, обращаясь вокруг звезды, как бы раскачивает её, и мы можем наблюдать доплеровское смещение спектра звезды.
   Этот метод позволяет определить амплитуду колебаний радиальной скорости для пары «звезда — одиночная планета», массу планеты, период обращения, эксцентриситет и нижнюю границу значения массы экзопланеты $~M_j \sin \alpha$. Угол $~\alpha$ между нормалью к орбитальной плоскости планеты и направлением на Землю современные методы измерить не позволяют.
   На ноябрь 2011 года этим методом зарегистрировано 647 планет.
2. Транзитный метод связан с прохождением планеты на фоне звезды. В этот момент светимость звезды уменьшается. Метод позволяет определить размеры планеты, а в сочетании с методом Доплера — плотность планет. Дает информацию о наличии и составе атмосферы. Следует понимать, что этим методом можно обнаружить лишь те планеты, орбита которых лежит в одной плоскости с точкой наблюдения.
   На ноябрь 2011 года обнаружено 185 планет.
3. Метод гравитационного микролинзирования. Между наблюдаемым объектом (звездой, галактикой) и наблюдателем на Земле должна быть другая звезда (она выступает в роли линзы), фокусирующая своим гравитационным полем свет наблюдаемой звёздной системы. Если у звезды-линзы есть планеты, то появляется асимметричная кривая блеска и возможно отсутствие ахроматичности. У этого метода крайне ограниченное применение. Метод чувствителен к планетам с малой массой, вплоть до земной.
   На сентябрь 2011 года было открыто 13 планет.
4. Астрометрический метод. Основан на изменении собственного движения звезды под гравитационным воздействием планеты. С помощью астрометрии были уточнены массы некоторых экзопланет, в частности, Эпсилона Эридана b. Будущее этого метода связано с орбитальными миссиями, такими, как SIM.
5. Радионаблюдение пульсаров. Если вокруг пульсара вращаются планеты, то излучаемый сигнал имеет осциллирующий характер. Мощные направленные пучки излучения образуют в пространстве конические поверхности. Если на такой поверхности окажется Земля, тогда возможно зарегистрировать данное излучение. На март 2010 года у двух пульсаров найдено пять планет (3+2).
6. Прямое наблюдение. На сегодняшний день ни один современный телескоп не позволяет напрямую наблюдать экзопланету. Это связанно с тем, что свет от планеты в миллиарды раз слабее, чем свет от звезды, а с учётом огромных астрономических расстояний — это сравнимо с тем, что пытаться разглядеть свет от свечи на фоне огромного города огней. Предполагается, что космический телескоп имени Джеймса Вебба благодаря огромному зеркалу 6,5 м и высокой разрешающей способности, возможно, станет первым телескопом, способным напрямую обнаруживать экзопланеты, а также подробно изучать состав их атмосфер.

Номенклатура

Взгляд художника на планету HD 189733 b

Открытым экзопланетам в настоящее время присваиваются названия состоящие из названия звезды, около которой обращается планета, и дополнительной строчной буквы латинского алфавита, начиная с буквы «b» (например: 51 Пегаса b). Следующей планете присваивается буква «c», потом «d» и так далее по алфавиту. При этом буква «a» в названии не используется, так как такое название подразумевало бы собственно саму звезду. Кроме того, следует обратить внимание на то, что планетам присваиваются названия в порядке их открытия, а не по мере удаления от звезды обращения. То есть, планета «с» может быть ближе к звезде, чем планета «b», просто открыта она была позднее (как, например, в системе Глизе 876).

В названиях экзопланет существовало исключение. Дело в том, что до открытия системы 51 Пегаса в 1995 году экзопланеты называли иначе. Первые обнаруженные экзопланеты у пульсара PSR 1257+12 были названы прописными буквами PSR 1257+12 B и PSR 1257+12 C. Кроме того, после обнаружения новой, более близкой к звезде планеты, она была названа PSR 1257+12 A, а не D. Впоследствии эти планеты были переименованы во избежание путаницы в соответствии с современной системой именования экзопланет.

Некоторые экзопланеты имеют дополнительные неофициальные «прозвища» (как, например, 51 Пегаса b неофициально названа «Беллерофонт»). Однако в научном сообществе в настоящее время присвоение официальных личных имён планетам считается непрактичным и соответственно не практикуется.

Свойства экзопланет

Предположительные размеры планет типа Сверхземля, в зависимости от их массы и химического состава. Примеры таких планет: Планета-океан в значительной части состоящая из воды; Железная планета, Углеродная планета.

Планеты обнаружены приблизительно у 10 % звёзд, включенных в программы поисков. Их доля растёт по мере накопления данных и совершенствования техники наблюдения.

Сравнение Солнечной системы с системой 55 Рака

Поначалу большинством открытых экзопланет были планеты-гиганты (так как планеты других типов обнаружить труднее). Однако к настоящему времени (январь 2012 года) открыто множество планет с массами порядка массы Нептуна и ниже. Из 2326 кандидатов, обнаруженных телескопом Кеплер, 207 имеют примерно земной размер, 680 имеет размеры суперземли, 1181 — Нептуна, 203 — размер, сравнимый с Юпитерианским, и 55 — больший, чем у Юпитера.

Наблюдается зависимость количества планет-гигантов от содержания тяжелых элементов (металлов) в звездах. Системы с планетами-гигантами встречаются также преимущественно у звёзд солнечного типа (классов K5-F5), в то время как у красных карликов их доля значительно меньше (у 200 наблюдаемых красных карликов обнаружены пока что только три подобные системы). Последние открытия, сделанные методом гравитационного микролинзирования, говорят о широкой распространённости систем с планетами средней массы типа Урана и Нептуна вместо газовых гигантов. Это в первую очередь относится к маломассивным звёздам и звёздам с низким содержанием металлов.

Для ряда планет получена оценка их диаметра, что позволяет определить их плотность, а также строить предположения относительно наличия массивных ядер, состоящих из тяжёлых элементов. Европейские астрономы под руководством Тристана Гийо (Tristan Guillot) из Обсерватории Лазурного берега (Франция), установили, что при сравнении плотности планет с содержанием металлов в их звездах имеется определённая корреляция. Планеты, сформированные вокруг звёзд, которые являются столь же богатыми металлом, как наше Солнце, имеют маленькие ядра, в то время как планеты, звезды которых содержат в два-три раза больше металлов, имеют намного большие ядра.

Наиболее близкой по условиям к Земле экзопланетой, известной на 2009 год, является Глизе 581 c, температура на которой, по предварительным оценкам, находится в диапазоне 0—40 °C. Также теоретически на этой планете возможно существуют запасы жидкой воды (что подразумевает возможность существования жизни).

Некоторые планетные системы

Ипсилон Андромеды d — это газовый гигант класса II, содержащий водные облака. Одним из открытых вопросов экзопланетологии является наличие у газовых гигантов массивных лун способных удержать достаточно плотную атмосферу. До сих пор наблюдений наличия лун сделано не было. В представлении художника вокруг Ипсилон Андромеды d обращается луна содержащая жидкий океан.

Взгляд художника на планету HD 69830 d, астероидный пояс звезды HD 69830 на заднем плане

Взгляд художника на планету PSR B1620-26c (открыта в 2003); планете около 12,5 миллиардов лет, это старейшая из известных экзопланет

Взгляд художника на закат трёх светил на предполагаемом спутнике планеты HD 188753 Ab

Взгляд художника на планету OGLE-2005-BLG-390Lb (температура поверхности −220 °C), которая вращается вокруг звезды на расстоянии 20 000 световых лет от Земли; планета обнаружена с помощью гравитационного микролинзирования

• 51 Пегаса — Первая солнцеподобная звезда главной последовательности, у которой была обнаружена экзопланета.
• υ Андромеды — Первая звезда главной последовательности, у которой была обнаружена многопланетная система.
• ε Эридана — Не считая Солнца, это третья из ближайших звёзд, видимых без телескопа. Самая ближайшая планетная система.
• 55 Рака — На текущий момент у неё известно 5 планет, одна из которых — 55 Рака e, транзитная горячая суперземля размером 2 земных.
• μ Жертвенника — Имеет одну из самых маломассивных известных экзопланет, возможно, принадлежащую к планетам земной группы.
• γ Цефея — Первая относительно тесная двойная звезда, у одной из компонентов которой (γ Цефея A) была открыта планета.
• Gliese 876 — Первый красный карлик, у которого была обнаружена планетная система.
• HD 209458 — Содержит одну из самых примечательных экзопланет — HD 209458 b «Осирис» — «испаряющаяся планета».
• OGLE-TR-56 — Первая звезда, планета которой была открыта транзитным методом.
• OGLE-235/MOA-53 — Первая экзопланета, обнаруженная благодаря эффекту гравитационного микролинзирования.
• 2M1207 — Вероятно, первое полученное изображение экстрасолнечной планетной системы.
• PSR 1257+12 — пульсар, планетная система которого была первой из обнаруженных за пределами солнечной системы.
• HD 188753 — Первая тройная звёздная система, в которой была открыта экзопланета (HD 188753 Ab).
• HD 189733 — Впервые в истории изучения экзопланет была составлена карта температур поверхности для планеты HD 189733 b.
• Глизе 581 c, Глизе 581 d, HD 85512 b и Kepler-22 b — Из известных в настоящее время экзопланет, они достаточно схожи с Землёй.
• Глизе 581 e — Наименьшая по массе из известных на данный момент (декабрь 2009) экзопланет.
• WASP-17 b — Первая обнаруженная планета, которая вращается вокруг звезды в направлении, противоположном вращению самой звезды.
• COROT-7 b — Первая суперземля (февраль 2009), обнаруженная транзитным методом, и имеющая размер 1,58 размера Земли.
• GJ 1214 b — Первая планета-океан (теоретически).
• HD 10180 — Звезда с максимальным числом открытых планет. На август 2010 года было обнаружено семь планет.
• Глизе 581 g — Планета с высокой вероятностью существования жидкой воды.
• Kepler-10 b — Первая железная планета (плотность планеты 8,8 г/см³).
• Kepler-11 — звезда, которая находится в созвездии Лебедя на расстоянии около 613 парсек от нас. Вокруг звезды обращается, как минимум, 6 планет.
• WASP-19 b — Экзопланета с предположительно самым коротким из известных периодом обращения вокруг звезды, равным 0,7888399 земных суток (18,932 часа). На «2-ом месте» WASP-43 b.
• WASP-33 b — Самая горячая экзопланета, из известных на 2011 год. Температура 3200 °C.
• WASP-43 b и GJ 1214 b — Обладают самыми «тесными» орбитами. WASP-43 b — среди горячих юпитеров, GJ 1214 b — среди сверхземель. У WASP-43 b большая полуось 0.014 а.е. (2 млн км или 5 звездных радиусов). Родительская звезда WASP-43 — самая маломассивная звезда из всех, около которых вообще были обнаружены горячие гиганты. У GJ 1214 b большая полуось равна 0.014 ± 0.0019 а. е .(эксцентриситет орбиты меньше 0.27 — слабоэллиптичная орбита)
• KIC 10905746 b и KIC 6185331 b — Впервые экзопланеты открыты «любителями» среди массива данных собранных «профессионалами» (проект Planet Hunters)
• Kepler-20 e и Kepler-20 f — Первые открытые экзопланеты размером с Землю и меньше, размеры Kepler-20 e составляют всего 0,87, а Kepler-20 f 1,03 радиуса Земли. Открыты телескопом Кеплер
• KOI-961 b, KOI-961 c и KOI-961 d — Экзопланеты у красного карлика KOI-961, радиусом 0,78, 0,73 и 0,57 радиуса Земли. Радиус KOI-961 d чуть больше, чем у Марса (0,53 радиуса Земли).
• 47 Большой Медведицы — Система состоящая из 3 холодных юпитеров — 47 Большой Медведицы b, 47 Большой Медведицы c и 47 Большой Медведицы d.
• GD 66 b — Вероятно, первая гелиевая планета.
• HD 37605 c — Первый Холодный юпитер, обнаруженный в 2012 году.

Последствия открытия экзопланет

Открытие экзопланет позволило астрономам сделать вывод: планетные системы — явление в космосе распространённое. До сих пор нет общепризнанной теории образования планет, но теперь, когда появилась возможность подвести статистику, ситуация в этой области меняется к лучшему. Большинство обнаруженных систем сильно отличается от солнечной — скорее всего это объясняется селективностью применяемых методов (легче всего обнаружить короткопериодичные массивные планеты). В большинстве случаев планеты, подобные Земле, современными методами в таких планетных системах обнаружить пока невозможно. Интересно, что у звезды Эпсилон Эридана (которая вместе с Тау Кита и Эпсилон Индейца считается одной из трёх ближайших к Солнцу звёзд, подходящих для существования жизни, см.: SETI) также обнаружена планетная система, хотя достоверность этого открытия пока остаётся под вопросом.

«Закрытие» экзопланет

Тщательное изучение спектра звезды WASP-9 с помощью высокоточного спектрометра HARPS выявило в нём следы второго звёздного спектра. Таким образом, планеты WASP-9b не существует.

Научно-популярные фильмы

• «В поисках чужих планет» (англ. Search for Alien Planets) — научно-популярный фильм, снятый Science Channel в 2000 г.
• «С точки зрения науки: Адские планеты» (англ. Naked Science: Deadliest Planets) — научно-популярный фильм, снятый National Geographic Channel в 2007 г.
• «Вселенная. Далекие планеты» (англ. The Universe. Alien Planets) — научно-популярный фильм, снятый History Channel в 2008 г.

См. также

• Экзолуна
• Списки экзопланетных систем
• Внегалактическая планета

Литература

• Бурба Г. Оазисы экзопланет // Вокруг света. — М.: 2006. — № 9 (2792). — С. 38—45.
• Левин А. Свита звезд // Популярная механика. — М.: 2009. — № 1 (75). — С. 24—29.
• Burrows A. A theoretical look at the direct detection of giant planets outside the Solar System  (англ.) // Nature. — 20 January 2005. — № 433. — С. 261—268.

Ссылки

• Энциклопедия внесолнечных планет
• Каталог внесолнечных планет
• Обзор методик поиска внесолнечных планет
• Ученые нашли простой и доступный способ поиска других солнечных систем
• Новые свидетельства в пользу существования планетной системы около Веги
• Статья о экзопланете в М4
• http://exoplanets.org/
• The Extrasolar Planets Encyclopaedia
• Открытие внесолнечных планет
• Оазисы экзопланет
• Экзопланеты по Воробьевой
• Поразительные экзопланеты
• Алексей Левин. Свита звезд: экзопланеты Популярная механика № 1, 2009
• Планета около коричневого карлика
• New worlds atlas
• Подборка ссылок на научные статьи об экзопланетах
• Астрономы из Южной Африки нашли свидетельства двойной планетарной системы
• Экзопланеты — запасной дом. Сюжет телестудии Роскосмоса 8 октября 2011 года.