Типы экзопланет

Вместе с Британским Советом в России мы подготовили проект «Британские ученые», посвященный истории британской науки. В этой лекции профессор астрофизики Кембриджского университета Дидье Келос рассказывает о типах экзопланет и их формировании.

Слово «экзопланета» состоит из двух слов. Одно из них — «планета». Мы знаем, что такое планета, в нашей Солнечной системе они есть. Другое — «экзо», которое означает, что эти планеты находятся вне Солнечной системы. Итак, экзопланеты — это планеты, вращающиеся вокруг других звезд. Наше Солнце — это звезда, как и прочие звезды, которые мы видим ночью на небе, а у этих звезд, в свою очередь, есть планеты, которые называются экзопланетами. Таким образом, это новый объект в астрономии. Экзопланеты были открыты чуть больше 20 лет назад: самая первая была открыта в 1992 году, и она вращалась вокруг пульсара (это тип нейтронной звезды), а в 1995 году уже была открыта экзопланета, вращающаяся вокруг звезды главной последовательности.

С того времени мы открыли множество экзопланет у других звезд, и сейчас мы уверены, что вокруг звезд вращается огромное количество экзопланет. Но мы не до конца понимаем все их разнообразие. В Солнечной системе есть очень разные типы планет: есть маленькие планеты земного типа, есть планеты-гиганты наподобие Юпитера и Сатурна. На других звездах мы обнаружили те планеты, которые обнаружить проще всего, то есть самые большие. И мы нашли довольно много других юпитеров, мы нашли несколько маленьких планет, но, какие бы планеты мы ни находили, все они отличаются от планет Солнечной системы.

Например, самая первая планета, которую открыли около другой звезды, была похожа на Юпитер, только она вращалась очень близко к материнской звезде. Сейчас такие планеты мы называем горячими юпитерами: планета находится так близко к звезде, что ее атмосфера разогрета больше чем до 1000 градусов. Это очень много, у нас нет таких планет в Солнечной системе, ведь Юпитер находится далеко от Солнца. Еще есть планеты больше Земли, но меньше Урана и Нептуна. Мы также обнаружили планеты, про которые мы не можем сказать, из чего они состоят: может быть, они состоят из скальных пород, может быть, они похожи на Нептун, может быть, они состоят из газа и воды. Так что в течение 20 лет нас постоянно удивляет разнообразие миров, которые мы находим.

Все эти экзопланеты, которые мы открываем, в каком-то смысле задают нам вопросы о нашей планетной системе. Почему мы такие, какие есть? Почему все остальные системы отличаются от нашей? И сейчас это, можно сказать, главный вопрос астрономов. Мы знаем, что на других звездах есть множество планет — думаю, это в каком-то смысле решенная проблема. И этот вопрос не стоял 20 лет назад. Когда-то давно, если бы кто-то об этом сказал, у него были бы большие проблемы: мы знаем, что людей сжигали за то, что они говорили о существовании других миров. Но все-таки идея других миров, других планет довольно старая — еще греческие философы писали в своих текстах, что, возможно, есть и другие деревья, океаны, земли и звезды. Идея зародилась в человеческих умах давно, но мы долго пытались доказать, что другие планеты действительно существуют.

Причина, по которой это отняло столько времени, заключается в том, что найти планету очень сложно, потому что планеты очень малы. Масса Юпитера составляет одну тысячную массы Солнца, а это еще большая планета. Также планеты сложно обнаружить, потому что они не светят. Звезды светят из-за ядерных реакций, происходящих в недрах звезды с излучением света. Поэтому из-за того, что планеты вращаются вокруг звезд, их очень сложно обнаружить, ведь наблюдателя слепит свет более яркой звезды. Это примерно как пытаться рассмотреть комара перед светящей фарой автомобиля. Таким образом, открывать планеты очень сложно, и процесс их поиска требует высоких технологий, которые позволят обнаружить такой маленький объект. Поэтому вместо того, чтобы прямо искать планеты, мы ищем признаки нахождения планеты у материнской звезды.

Если вокруг звезды вращается планета, может случиться несколько вещей. Во-первых, движение планеты чуть-чуть меняет движение звезды — вы увидите, как звезда немного раскачивается, так что, если у вас есть достаточно чувствительные инструменты, вы можете это обнаружить. А когда вы это обнаружите, вы поймете, что единственное, что может вызвать такое движение звезды, — это планета, вращающаяся вокруг нее. Во-вторых, если вам повезет, планета пройдет прямо перед звездой, на очень короткое время будет что-то вроде тени, светимость звезды уменьшится — это называется транзит. Это еще один способ обнаружить планету. Такими способами мы пользовались на протяжении 20 лет в поисках экзопланет. Есть и другие, но это основные, и сейчас с их помощью мы открыли около 4000–5000 экзопланет. Есть еще для некоторых систем что-то вроде изображений: можно использовать большие телескопы и попытаться подавить свет звезды. Но это работает, только если планета яркая, то есть планета должна быть молодой, должна быть яркой: если планета яркая, значит, она молодая. И планета должна быть довольно далеко от звезды, не слишком близко. Так что есть несколько экзопланет, открытых таким способом, но большую часть открыли при помощи первых двух.

Есть очень много проблем, связанных с открытием экзопланет. Самая главная — что мы не нашли планетную систему, похожую на нашу Солнечную систему. Это не значит, что их не существует, — это значит, что их сложно найти: планета вроде Земли в 300 раз меньше, чем Юпитер, и оказывает очень небольшое влияние на звезду, из-за чего Землю крайне сложно обнаружить. И шанс, что Земля пройдет перед звездой, крайне мал, почти равен нулю. Если бы Земля была ближе к Солнцу, ее было бы легче обнаружить. И мы действительно нашли планеты размером с Землю близко к их звездам. Мы также нашли много планет наподобие Юпитера близко к звездам. Практически все планеты, которые мы открыли, расположены гораздо ближе к своей звезде, чем самая близкая к Солнцу планета — Меркурий.

Таким образом, мы обнаружили буквально тысячи планет, которые радикально отличаются от планет Солнечной системы. Это очень интересно, потому что это показывает, что, возможно, есть разные способы образования планет, что могут быть и другие способы, как с погодой: в некоторых местах дождь идет чаще, чем в других, а в некоторых местах планетарные системы образуются близко к звезде. У этого есть разные последствия, например наличие жизни: если планета расположена слишком близко к звезде, она слишком горячая, а если она слишком горячая, на ней не может быть жизни. В таких условиях любая молекула разрушится. Так что то, что мы живем в системе, которая отличается от других, которые мы видим, вызывает у нас много интересных вопросов. Например, интересно то, что наша система очень хорошо структурирована: маленькие планеты внутри, а большие снаружи. Это должно быть связано с механизмами формирования планет и с тем, насколько особенной может быть Солнечная система и насколько отличаются другие. И в этом вся идея, весь интерес к экзопланетам: из-за этого астрономы ищут другие системы, потому что они хотят лучше понять Солнечную систему. Это самый лучший способ понять Солнечную систему — посмотреть на другие звезды и на то, сколько из них имеет такие же планетные системы, как Солнечная, сколько отличается и почему.

Итак, есть разные типы планет. В основном они классифицируются по структуре. Некоторые преимущественно каменные, как Земля, Меркурий и Марс, они маленькие. Другие планеты намного больше, но они не каменные, а газовые — это планеты наподобие Юпитера. Есть планеты где-то между ними, то есть наподобие Урана и Нептуна: в них есть и камень, и газ, и из-за того, что планеты холодные, газ на них ледяной. Итак, это ледяные каменные планеты, которые мы называем ледяными гигантами. Есть еще много других планет. Есть планеты не из газа, не из камня, а из смеси того и другого. Или планеты, где есть много воды. Есть планеты, представляющие собой смесь разных типов, например каменная планета, на которой много воды (мы называем их водными мирами).

Также могут быть каменные планеты с большим количеством газа — планеты с очень большой разреженной атмосферой. Могут быть планеты, целиком состоящие из воды. Например, если взять Нептун и переместить его ближе к Солнцу, большая часть льда расплавится и станет жидкой, так что, если взять планеты Солнечной системы и немного изменить их состав, положение и температуру, вы измените их внешний вид. Вот чему мы научились, изучая экзопланеты. Существует огромное разнообразие планет, а не только жестко ограниченные категории планет Солнечной системы: планеты земного типа, гиганты и ледяные гиганты. Есть и смешанные типы. Все зависит от того, где находится планета и как вы смешиваете составляющие. И я думаю, что в тех открытиях, которые мы сделаем в следующие несколько десятилетий, нас ждет еще много удивительного.

Источник: postnauka.ru