Экзопланета — планета вне Солнечной системы¶

Экзопланета — планета, вращающаяся вокруг звезды, отличной от Солнца, то есть планета за пределами Солнечной системы. Термин образован от греческого префикса «эксо» (вне) и слова «планета». Первые подтверждённые открытия экзопланет относятся к 1990-м годам, а к началу 2020-х их число превысило 5000. Изучение экзопланет является одной из ключевых областей современной астрофизики, поскольку позволяет понять, как формируются и развиваются планетные системы и насколько распространены условия, пригодные для существования жидкой воды.

¶История открытий

Первое достоверное обнаружение планеты у другой звезды произошло в 1992 году: польский астроном Александр Вольщан и его коллега Дейл Фрейл обнаружили две планеты у пульсара PSR B1257+12. Эти небесные тела вращались вокруг нейтронной звезды — остатка взорвавшейся звезды, и условия на них резко отличаются от привычных планетарных.

В 1995 году швейцарские астрономы Мишель Майор и Дидье Келоз объявили об открытии первой экзопланеты у обычной звезды главной последовательности — 51 Пегаса b. Планета-гигант массой около половины массы Юпитера обращалась вокруг своей звезды на расстоянии всего 0,05 а. е., что противоречило существовавшим на тот момент моделям формирования планет. За это открытие Майор и Келоз в 2019 году были удостоены Нобелевской премии по физике.

В 2009 году НАСА запустило космический телескоп «Кеплер», специально разработанный для поиска экзопланет методом транзитов. За девять лет работы «Кеплер» обнаружил более 2600 подтверждённых экзопланет и тысячи кандидатов, показав, что планеты в галактике чрезвычайно распространены. После исчерпания топлива миссия была продолжена в рамках проекта K2. В 2018 году НАСА запустило телескоп TESS, обследующий почти всё небо в поисках транзитных кандидатов.

¶Методы обнаружения

Прямое наблюдение экзопланет крайне затруднено: звезда на много порядков ярче своей планеты и засвечивает её. Поэтому разработаны несколько косвенных методов.

¶Метод радиальных скоростей

Основан на измерении периодического смещения спектральных линий звезды, вызванного гравитационным притяжением невидимой планеты. Звезда и планета обращаются вокруг общего центра масс, поэтому звезда слегка «качается», и эта скорость регистрируется спектрометром. Метод был применён при открытии 51 Пегаса b и остаётся одним из основных. Он даёт нижнюю оценку массы планеты, так как зависит от угла наклонения орбиты к лучу зрения.

¶Метод транзитов

Если плоскость орбиты планеты расположена почти ребром к наблюдателю, планета периодически проходит перед диском звезды, незначительно уменьшая её блеск. Измеряя величину и периодичность затемнений, можно определить радиус планеты и параметры орбиты. Транзитный метод позволил открыть подавляющее большинство известных экзопланет, включая первые объекты, у которых удалось изучить состав атмосферы.

¶Другие методы

Гравитационное микролинзирование использует усиление света фоновой звезды при прохождении перед ней звезды с планетой. Метод эффективен для поиска далёких планет, включая свободно плавающие, не связанные ни с одной звездой. Астрометрический метод состоит в точном измерении смещения звезды на небе; он был успешно применён космическим телескопом «Гайя». Прямая съёмка — фотографирование самой планеты — впервые получила развитие в 2008 году, когда были сняты несколько молодых газовых гигантов в протопланетных дисках.

¶Классификация

По массе экзопланеты условно делятся на несколько классов, аналогичных категориям Солнечной системы, но с поправкой на наблюдаемое разнообразие:

• Землеподобные (каменные) — массой от долей до нескольких масс Земли, преимущественно силикатные или железные.
• Суперземли — каменные планеты крупнее Земли, но легче Нептуна; в Солнечной системе аналогов нет.
• Нептунианы (ледяные гиганты) — планеты массой от нескольких до десятков масс Земли.
• Юпитерианы (газовые гиганты) — массой от 0,1 до десятков масс Юпитера.
• Свободно плавающие планеты — не обращающиеся ни вокруг одной звезды.

Отдельно выделяют класс «горячих юпитеров» — газовых гигантов на очень близких орбитах, и «горячих нептунов». Существование первых поставило под сомнение прежние модели планетообразования и привело к разработке теории миграции планет.

¶Экзопланеты в обитаемой зоне

Обитаемой зоной называют диапазон расстояний от звезды, на котором на поверхности каменной планеты с подходящей атмосферой может существовать жидкая вода. Открытие планет в обитаемых зонах красных карликов — например, TRAPPIST-1e, Kepler-442b, Proxima Centauri b — вызвало особый интерес, поскольку такие звезды многочисленны и живут очень долго. Однако близость к звезде подвергает планеты сильному приливному воздействию и вспышкам коротковолнового излучения, что может сказаться на пригодности для жизни.

¶Значение исследований

Изучение экзопланет позволяет проверять модели формирования планетных систем, уточнять эволюцию звёзд и искать биосигнатуры — химические признаки жизнедеятельности в атмосферах. Космические обсерватории «Джеймс Уэбб» и наземные телескопы нового поколения (ELT, TMT) способны анализировать состав атмосфер экзопланет методом спектроскопии транзитов, что открывает возможность обнаружения кислорода, метана и других потенциальных маркеров жизни.

¶Интересные факты

• В галактике Млечный Путь насчитывается порядка 100–400 миллиардов звёзд; по статистике «Кеплера», у большинства из них есть хотя бы одна планета.
• Известны экзопланеты, обращающиеся вокруг двух звёзд одновременно (как в системе Kepler-16b), и планеты-изгои, летающие в межзвёздном пространстве.
• У планеты PSR B1257+12 b масса примерно в сотую долю массы Земли — это одна из наименьших известных экзопланет.

¶Источники

• Нобелевская премия по физике 2019 года — официальное обоснование комитета.
• NASA Exoplanet Archive — каталог подтверждённых экзопланет.
• Mayor M., Queloz D. «A Jupiter-mass companion to a solar-type star» // Nature, 1995.
• Borucki W. J. и соавторы — публикации миссии «Кеплер».
• Вольщан А., Фрейл Д. — статья об открытии планет у пульсара PSR B1257+12, 1992.