Уловив проблеск чужих миров

С момента открытия первой экзопланеты в 1992 году астрономы обнаружили тысячи планет вокруг ближайших звезд. Эти планеты принимают различные формы, от газовых гигантов больше, чем Юпитер до Скалистых миров, которые могут быть похожи на Землю. Наши знания о многих из этих планет остаются ограниченными, но в течение следующего десятилетия серия вновь построенных космических телескопов начнет раскрывать свои секреты.

Экзопланета определяется как любая планета, которая не является одной из восьми планет, вращающихся вокруг нашего собственного Солнца. Небольшой размер большинства планет, вместе с огромным расстоянием до других звезд, делает экзопланеты очень трудно обнаружить. Несмотря на столетия спекуляций, первое открытие экзопланеты не было подтверждено до начала 1990-х гг. методы поиска экзопланет были усовершенствованы с момента этого первого открытия, и в настоящее время обнаружение экзопланет стало почти рутинным, с более чем 4000 экзопланет в настоящее время каталогизированы, и многие тысячи потенциальных открытий ждут подтверждения.

Первые найденные экзопланеты принадлежали к классу, который стал известен как «горячие Юпитеры». Эти газовые гиганты во много раз больше, чем самая большая планета в нашей Солнечной системе, Юпитер, но орбиты очень близко к их звездам. На этих кипящих мирах не может существовать никакой жизни, но их гигантские размеры и быстрые орбиты делают их легко обнаруживаемыми.

Совсем недавно было открыто большое количество небольших скалистых миров, некоторые из которых могут быть похожи на Землю. Астрономы особенно заинтересованы в исследовании планет размером с Землю, расположенных в обитаемой зоне их звезды-области, в которой температура поверхности может быть достаточно теплой, чтобы поддерживать инопланетную жизнь или, возможно, обеспечить дом для будущих человеческих колоний.

Ученые также считают, что в галактике могут существовать миллиарды «планет-изгоев», не связанных со звездами. Эти планеты каким-то образом были оторваны от своей материнской звезды, возможно, через взаимодействие с другими звездами, и оставлены плавать бесконечно и в одиночку через пространство. До сих пор было обнаружено несколько возможных планет-изгоев, но наблюдения за этими планетами и подтверждение их природы остаются очень сложными.

По сравнению со звездами, планеты трудно обнаружить. Они не излучают свой собственный свет, но могут отражать свет от соседних звезд. Они также малы, что делает их трудно обнаружить в телескопы. И когда планета вращается вокруг звезды, яркость этой звезды будет подавлять любой свет, исходящий от планеты. Чтобы обойти эти проблемы, астрономы разработали методы косвенного обнаружения планет, наблюдая за воздействием экзопланет на их звезды.

Большинство телескопов, предназначенных для поиска экзопланет, используют метод, называемый «транзитным обнаружением». Поскольку планета вращается вокруг своей родительской звезды, она может иногда проходить между звездой и Землей, вызывая небольшое и временное падение яркости этой звезды. Благодаря регулярному характеру планетных орбит, такие провалы будут видны каждый раз, когда планета завершает одну орбиту звезды, что позволяет ученым приблизительно определить размер планеты и ее расстояние от звезды.

Несколько космических телескопов использовали транзитное обнаружение для поиска экзопланет. Самым успешным из этих телескопов был Kepler, который работал в течение девяти лет между 2009 и 2018 годами. За это время Кеплер наблюдал более 500 000 звезд и обнаружил более 2600 планет. NASA запустило последующую миссию TESS в 2018 году. Тесс, как ожидается, найдет более 20 000 планет, резко увеличив число известных экзопланет.

Телескоп Gaia, запущенный в 2013 году, использует другую технику для поиска экзопланет. Гея была построена для получения точной карты галактики вокруг Земли и способна точно измерять положение звезд. Когда планеты вращаются вокруг звезды, их гравитация слегка притягивает звезду к планете. Со временем это создает «колебание» в движении звезды, что-то, что телескоп Gaia может обнаружить.

Ни один из этих двух методов не раскрывает большого количества информации о найденных экзопланетах, За исключением их размера и расстояния от своей звезды. Но, исходя из этих двух параметров, астрономы могут сделать вывод о характеристиках этих планет. Массивные экзопланеты, вероятно, являются газовыми планетами, похожими на большие миры в нашей собственной Солнечной системе. Меньшие, более плотные планеты должны быть скалистыми, похожими на миры вроде Марса или земли. И в зависимости от типа звезды, вокруг которой вращается экзопланета, можно рассчитать ее вероятные температуры поверхности.

До сих пор многие выводы ученых об экзопланетах основывались на теоретических компьютерных моделях. Это изменится в ближайшие несколько лет, когда серия запланированных космических телескопов выйдет в сеть и позволит астрономам исследовать известные экзопланеты на большей глубине. Эти измерения позволят ученым не только понять, могут ли экзопланеты поддерживать жизнь, но и пролить свет на формирование и эволюцию планет и солнечных систем, в том числе и нашей собственной.

Атмосферы планет могут открыть ученым важную информацию. Любой, кто изучает атмосферу Земли, быстро поймет, что жизнь должна существовать здесь из-за колеблющегося присутствия недолговечных химических веществ, которые могут быть созданы только живыми существами. Поэтому измерение атмосфер экзопланет является приоритетом, что миссия Ariel ESA надеется достичь.

Обнаружение атмосфер далеких планет на самом деле довольно просто. Ученым давно известно, что определенные частоты (или цвета) света поглощаются различными атомами и молекулами. Отсутствие этих частот от света, наблюдаемого от звезды, может указывать на присутствие определенных элементов внутри этой звезды, метод, который может быть использован для изучения характеристик звезд. Однако, когда планета проходит перед звездой, химические вещества в атмосфере этой планеты будут поглощать дополнительные частоты. Это означает, что свет, исходящий от звезды, немного изменится, и это изменение может быть использовано астрономами для вывода химических веществ, присутствующих в этой атмосфере.

Ариэль будет использовать эту технику для мониторинга атмосфер сотен планет. Для некоторых миров Ариэль сможет обнаружить сезонные и даже суточные изменения химического состава атмосферы, что позволит нам впервые определить погоду на далеких планетах.

Для большинства экзопланет мы можем видеть только эффекты планеты-тень, брошенную на звезду, небольшое колебание от гравитационных взаимодействий или измененную химическую подпись в звездном свете. Окончательное доказательство существования экзопланеты заключается в том, чтобы непосредственно сфотографировать планету. Хотя несколько экзопланет уже были изображены, это остается серьезной проблемой. Первый телескоп WFIRST, запуск которого запланирован на середину 2020-х годов, призван решить эту проблему и сделать прямое изображение экзопланет гораздо более распространенным.

Чтобы сфотографировать экзопланету, яркий блеск ее родительской звезды должен быть каким-то образом заблокирован или уменьшен. Только тогда можно увидеть слабый свет планеты. WFIRST достигнет этого с помощью коронографа, устройства, которое физически блокирует свет от звезды, позволяя видеть маленькие и тусклые объекты вокруг звезды. Коронограф WFIRST позволит телескопу непосредственно изображать газовые гиганты вокруг ближайших звезд, давая ученым представление об атмосферных свойствах этих планет, а также предоставит новый метод обнаружения экзопланет.

Среди тысяч экзопланет, открытых за последние несколько лет, выделяется одна, найденная в 2016 году. Названный Проксимой Центавра B, он вращается вокруг ближайшей к Земле звезды. Эта звезда, слабый красный карлик, является частью звездной системы Альфа Центавра, группы из трех звезд, расположенных примерно в 4 световых годах от Земли.

Поскольку Проксима Центавра находится так близко к Земле, мы можем захватить слабые изображения ее с помощью телескопов, которые в настоящее время строятся. Эти изображения должны показать, является ли планета, известная как примерно размер Земли, обитаемой, либо людьми, либо инопланетными формами жизни. Даже самое лучшее изображение будет состоять всего из нескольких пикселей — едва достаточно, чтобы выделить какие-либо планетные объекты. Но Проксима Центавра Б находится достаточно близко, чтобы однажды мы смогли послать зонд, чтобы сделать первый правильный снимок планеты за пределами нашей собственной Солнечной системы.

https://medium.com/predict/glimpsing-alien-worlds-837d19919048

Ссылка на основную публикацию