Экзопланета: определение и методы обнаружения¶
Экзопланета — планета, обращающаяся вокруг звезды за пределами Солнечной системы. Существование таких объектов предполагалось давно, однако первое надёжное подтверждение было получено лишь в 1990-х годах. К началу 2020-х годов подтверждено несколько тысяч экзопланет, а число кандидатов, ожидающих проверки, измеряется тысячами. Экзопланеты относятся к классу внесолнечных тел и изучаются разделом астрофизики, который принято называть планетологией экзопланет.
¶История открытий
Идея о том, что планеты существуют и у других звёзд, высказывалась ещё в античности и в Новое время, но долгое время оставалась умозрительной. Первые заявления об обнаружении экзопланет (например, у звезды Барнарда в 1960-х годах) не подтвердились.
Ситуация изменилась в 1992 году, когда польский астроном Александр Вольщан и канадский исследователь Дейл Фрейл обнаружили планеты у пульсара PSR B1257+12 — остатка взорвавшейся звезды. Эти объекты обращались вокруг нейтронной звезды, а не вокруг обычного светила, что делало их необычными.
В 1995 году Мишель Майор и Дидье Кело объявили об открытии планеты 51 Пегаса b — газового гиганта у солнцеподобной звезды. За это открытие они получили Нобелевскую премию по физике в 2019 году. Именно 51 Пегаса b считается первой экзопланетой, найденной у нормальной звезды главной последовательности.
Массовый характер открытия приобрели после запуска космических телескопов: «Кеплер» (2009) и позднее TESS. Наземные проекты, такие как обсерватория Кека и проект HARPS, дополнили картину.
¶Методы обнаружения
Поскольку экзопланеты крайне слабо светятся по сравнению со своими звёздами, их выявляют косвенными способами.
¶Транзитный метод
Регистрируется периодическое ослабление блеска звезды, когда планета проходит по её диску. Метод позволяет оценить радиус планеты и, при дополнительных данных, её плотность. На нём основана работа телескопов «Кеплер» и TESS.
¶Метод радиальных скоростей
Спектр звезды смещается из-за гравитационного влияния планеты: звезда и планета обращаются вокруг общего центра масс. По доплеровскому смещению линий вычисляют минимальную массу планеты. Этот метод дал большинство ранних открытий.
¶Другие способы
- Гравитационное микролинзирование — усиление света далёкой звезды под действием гравитации промежуточного объекта.
- Прямое наблюдение — получение изображения планеты, что пока возможно лишь для крупных и удалённых от звезды тел.
- Астрометрия — измерение собственного движения звезды по небу.
- Тайминг пульсаров — фиксация отклонений в приходе радиоимпульсов.
¶Классификация
Экзопланеты различают по массе, размеру, составу и орбите.
| Тип | Характеристика |
|---|---|
| Горячие юпитеры | Газовые гиганты вблизи звезды, с коротким периодом обращения |
| Тёплые и холодные юпитеры | Гиганты на более далёких орбитах |
| Мини-нептуны | Тела промежуточной массы между Землёй и Нептуном |
| Суперземли | Планеты крупнее Земли, но меньше Нептуна |
| Землеподобные | Каменистые тела сопоставимого с Землёй размера |
Отдельно выделяют планеты-сироты, не связанные с какой-либо звездой, и объекты в зоне обитаемости, где на поверхности теоретически может существовать жидкая вода.
¶Характеристики и примеры
Орбиты многих экзопланет сильно отличаются от солнечной системы: встречаются крайне вытянутые, ретроградные и очень тесные орбиты. Планета 51 Пегаса b совершает оборот примерно за четыре земных суток. Некоторые тела, например Kepler-16b, обращаются сразу вокруг двух звёзд — такие системы называют циркумбинарными.
Состав атмосфер исследователи изучают методом трансмиссионной спектроскопии: во время транзита свет звезды проходит через газовую оболочку планеты, и в спектре появляются следы поглощения. Так были зафиксированы водород, гелий, водяной пар, углекислый газ и другие соединения.
¶Значение и перспективы
Изучение экзопланет связано с фундаментальными вопросами: насколько распространены планетные системы, как они формируются и возможна ли жизнь за пределами Земли. Открытия показали, что планетные системы — распространённое явление, а их устройство разнообразнее, чем предполагалось по одной лишь Солнечной системе.
В России исследования в этой области ведутся в институтах Российской академии наук, а также в рамках проектов наземной астрономии. Развиваются методы, позволяющие искать планеты малой массы и анализировать их атмосферы.
Перспективы связаны с новыми инструментами: космическим телескопом «Джеймс Уэбб», спектрографом ESPRESSO и проектами больших наземных телескопов. Ожидается, что они позволят детальнее изучать состав атмосфер и, возможно, обнаружить признаки биологической активности — так называемые биосигнатуры.
¶Критика и ограничения
Методы обнаружения имеют систематические смещения: транзитный способ и метод радиальных скоростей чаще выявляют крупные планеты на коротких орбитах, поэтому ранние выборки не отражали реального разнообразия. Оценки распространённости землеподобных планет остаются приблизительными. Заявления об «обитаемости» конкретных миров носят вероятностный характер и требуют подтверждения независимыми данными.
Источники: NASA Exoplanet Archive, материалы Нобелевского комитета по физике 2019 года, публикации журналов Nature и Astrophysical Journal, обзоры Европейской южной обсерватории.