Экзопланеты: история открытия и современные достижения

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Учреждение образования

«БРЕСТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ А. С. ПУШКИНА»

Физический факультет

Кафедра теоретической физики и астрономии

Курсовая работа

по специализации «Теоретическая физика»

Экзопланеты: история открытия и современные достижения

Брест 2010

Содержание

Введение

Экзопланеты

История открытия экзопланет

Современные достижения в открытии экзопланет

Заключение

Литература

Введение

Вселенная – это не только звезды и планеты. Это значительно больше: и колыбель разумной жизни, и Мировой разум, и вообще все.

Мы не только капля в океане, который называется Вселенной. Но эта капля не затерялась во вселенском океане, она связана множеством нитей абсолютно со всем во Вселенной, эта капля влияет на все, что происходит во Вселенной.

Земная цивилизация не единственная во Вселенной. Их бесконечное множество. Они находятся на разных уровнях развития. Они опередили нас в развитии, другие отстают. Но у всех у нас один Творец – Мировой разум.

Законы развития Вселенной (в том числе и Земли) определены. Других законов мы придумать не можем. Но мы можем и должны, если хотим нормально жить, строить свою жизнь (включая экономику, промышленность) в соответствии с этими законами. А для этого надо их знать.

Исследование Вселенной без сомнения станет одной из наиболее захватывающих страниц научных исканий 21 века.

Экзопланеты

Если древние считали Землю центром Вселенной, то сегодня космологи вопрос об уникальности планеты Земля предлагают разделить на несколько: имеются ли планеты вне Солнечной системы?; существуют ли планетные системы, аналогичные солнечной?; существуют ли «землеподобные» планеты?

Иные планеты, не принадлежащие Солнечной системе, в литературе окрестили экзопланетами. Греческая приставка «экзо» означает «вне», «снаружи». Есть и альтернативное название таких планет – внесолнечная планета (extra solar planet).

Планеты Солнечной системы образовались из плоского газово-пылевого облака, окружавшего светило. По современным оценкам понадобилось около 60 мил. Лет аккумуляции вещества, пришедшего в конечном счете к формированию планет. Выделяют две основные группы планет, которые вращаются вокруг Солнца примерно в одной плоскости. К первой группе со средней плотностью образующего их вещества (около 5 г/см³) относятся Меркурий, Венера, Земля и Марс. Вторая группа состоит из планет-гигантов: Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна, усредненная плотность которых составляет примерно 1,4 г/см³. Плутон не относится ни к одной из указанных групп и составляет впечатление чужеродного космического тела, «прихваченного» по небесной дороге гравитационным полем Солнца в результате разного рода космических коллизий.

Важным свидетельством единого характера образования большинства планет Солнечной системы являются их однонаправленные движения практически в одной плоскости вокруг Солнца, медленно вращающегося в том же направлении.

В ночь на 14 ноября 2003 года граница планет Солнечной системы была как бы перенесена и ее можно теперь проводить в трое дальше от Солнца по сравнению с той, что означалась орбитой Плутона. Астрономы Паломарской обсерватории (CША, штат Калифорния) обнаружили небесное тело, которое получило название Седна – честь эскимоской богини моря. Диаметр Седны менее 1700 км и вместе с Марсом – они самые красноокрашенные планеты в Солнечной системе. Температура на её поверхности не превышает -240°С. Причина такой «холодины» проста – орбита Седны проходит более чем в 13 млрд. км от Солнца. К Солнцу она приближается раз в 10 тыс. 500 лет, да и то ненадолго. К тому же Седна в этой точке (перигелии) находится примерно в 80 а.е. от Солнца, т.е. в 80 раз дальше, чем Земля от Солнца.

Открытие Седны, рассматриваемой как планетоид, не столь исключительное событие. Планетоиды открывают по несколько раз в год. Однако таких крупных тел в Солнечной системе не обнаруживали с 1930 года, когда стало известно о существовании Плутона. И поскольку Седна обращается вокруг общего светила, её можно рассматривать в качестве равноправного (хотя и неприметного) родственника планет Солнечной системы.

Полный оборот вокруг своей оси Седна делает за 20-30 земных суток. Только Меркурий и Венера оборачиваются медленнее (они замедляются в своем вращении гравитационной силой близкого к ним Солнца). В предстоящие 72 года Седна будет приближаться к Солнцу и соответственно, светится все ярче. А затем по своей эллиптической орбите станет удаляться на периферию Солнечной системы.

В это же время официально расширение пояса планет Солнечной системы ещё не состоялось. Международный астрономический союз (LAU) сформировал рабочую группу, чтобы рассмотреть определение минимального размера для планеты. К тому же две группы астрономов(испанская и американская) объявили об открытии нового объекта, который может оказаться даже крупнее Плутона. Большая часть его орбиты лежит намного дальше Плутона, и он не приближается к Солнцу ближе, чем Нептун.

В целом такое развитие событий заставляет задуматься над тем, что же такое Солнечная система? Помимо девяти планет и их спутников (плюс мириады астероидов и комет) в настоящее время как часть Солнечной системы рассматриваются также пояс Койпера и облако Оорта.

Пояс Койпера – обширная область небесной сферы, лежащая за орбитой Нептуна, примерно от 30 до 100 а.е. от Солнца, населенная объектами типа астероидов и ядер комет. Американский астроном Джерард Койпер (1905 - 1973) в 1951 году высказал предположение о существовании такого явления. Но только в 1922 году был открыт первый объект пояса Койпера диаметром около 280 км. К настоящему времени число открытых транснептуновых объектов приближается к тысяче. К числу крупных объектов пояса Койпера относятся также такие небесные тела как Квавар, Иксион, Варуна, Хаос и Седна, вызвавшие в последние десятилетия оживленные дискуссии астрономов. По оценкам учёных, возможно существование, по крайней мере 35 тысяч объектов пояса Койпера диаметром более 100км. Все эти объекты – не просто далекие диковинки. Они, согласно современной точке зрения, являются не «испорченными» остатками газопылевой туманности, из которой сформировалась вся Солнечная система. Как ожидают исследователи, изучение их химического состава и распределения в пространстве дает важные сведения для поиска модели ранних этапов эволюции Солнечной системы.

Облако Оорта (по имени голландского астронома Яна Оорта, который в 1950 году предположил, что Солнечная система окружена гигантским облаком кометных тел, находящихся на расстоянии от 20000 до 200000 а.е. от Земли) – скопление сферической формы претопланетных тел, остатков эпохи образования Солнца и внутренних тел Солнечной системы. (Ян Оорт первым доказал и вращение Млечного Пути как целого.) Небольшие тела, составляющие это облако (возможно, что их там более триллиона с общей массой, примерно равной массе Юпитера), медленно, с периодом в миллионы лет, вращаются вокруг Солнца. Именно оттуда, из облака Оорта, вторгаются в Солнечную систему некоторые из составляющих их тел – скопление каменных и ледяных обломков. По мере приближения к Солнцу они начинают разогреваться, результатом чего является образование газовой струи. Такие объекты называются долгопериодическими кометами. В настоящее время облако Оорта позиционирует на расстоянии от 20 до 50 тысяч астрономических единиц от Солнца, т.е. на дальних границах Солнечной системы.

Недавно на международной астрономической конференции в итальянском городе Падуе известный американский учёный Джон Матезе из университета штата Луизиана выдвинул гипотезу, подкрепленную математическими расчётами. По мнению исследователя, внутри облака Оорта скрывается «истинная» десятая планета Солнечной системы, которая 1.5 - 6 раз массивнее Юпитера и обращается вокруг Солнца на расстоянии в 25 тысяч а.е. (примерно 0.4 световых года), совершая один оборот за 4 – 5 миллионов лет.

Но, пожалуй, самое сенсационное заключается в том, что согласно данной гипотезе, эта «невидимка» должна обращаться по своей орбите в сторону противоположную движению планет Солнечной системы. Такая орбита неустойчива и никакой объект на ней не смог бы оставаться вблизи Солнца со времен возникновения Солнечной системы. Но это значит, что в Солнечной системе такая планета появилась намного позже и представляла собой блуждавшую в космосе «беспризорную» планету, которая по воле случая была «захвачена» Солнцем.

Одной из важных задач астрономии является достижение понимания процесса образования планетных систем вокруг той или иной звезды. Уже очевидно, что образование планет – не столь редкое явление. На повестке – установление размеров «новых» планет, определение их орбит и т.п. Это необходимо для уяснения процесса зарождения планет из пылевых дисков, окружающих звезды. Именно они и поставляют материал для формирования планет. Но распознать весьма слабо светящиеся диски, состоящие из мелких, разряженных пылевых частиц, пока удалось лишь в нескольких случаях.

По современным представлениям о ходе образования планет, их ядро формируется из твердых планетезималей (слипшихся комков полевых частиц). Когда масса ядра достигает определённого критического значения, масса планеты начинает быстро возрастать как результат аккреции межзвездного газа, происходящего с высокой скоростью. Этому процессу содействует и миграция планеты из внешних областей протопланетного диска к его центру.

Планеты земного типа обладают значительно меньшей массой, чем планеты-гиганты, у которых основная масса приходится на газовую составляющую.

В самом начале формирования планеты были нагретыми телами. Недра планет, в том числе и Земли, и сейчас имеют температуру в тысяча градусов по Цельсию. При остывании поверхности и образуется рельеф поверхности, подобный тому, который мы видим на Земле и наблюдаем на землеподобных планетах. А «наш» Юпитер совсем лишь немного по массе не «дотянул» до звезды, чтобы в его недрах начались термоядерные реакции, которые и «сделали» бы его звездой.

Возможность существования экзопланет осуждается достаточно давно. В 1916 году американский астроном Эдуард Барнард предположил, что он открыл планету, влияющую на движение звезды, названной позже в честь первооткрывателя звездой Барнарда. Впоследствии выяснилось, что эта звезда находится на втором месте по удалённости от Солнца после системы Альфа Кентавра, но планеты у нее все же не оказалось.

Первым подтвердившимся открытием экзопланеты стало обнаружение ее у радиопульсара, находящегося на расстоянии в 1000 световых лет от Солнца. Оно было сделано в 1991 году польским астрономом Алексом Вольцжаном. К 1993 году выявилось присутствие рядом с этим пульсаром трех планет с массами 0.2, 4.3 и 3.6 массы Земли. В 1996 году было установлено, что имеется и четвертая планета с массой Сатурна. И если у первых трех период обращения вокруг нейтронной звезды составил, соответственно , 25, 67, и 98 суток, то у четвертой – около 170 лет. Таким образом, была сразу же обнаружена целая планетная система.

Обнаруженная планетная система считается весьма странной. Нейтронная звезда возникает в результате взрыва сверхновой. В момент взрыва звезда теряет большую часть своей массы и возникший пульсар не может удержать рядом с собой планеты, которыми могла обладать массивная звезда. Поэтому маломассивные спутники, обнаруженные рядом с пульсаром RSR1257+12, сформировались после взрыва сверхновой. Но из чего и как – неясно. Подобного рода планеты по причине неясного происхождения считают каким-то неполноценным. К тому же лишь еще у одного далекого пульсара, хотя их открыто уже более 1000, обнаружилось наличие планеты. Последняя оказалась гигантом, в несколько раз массивнее Юпитера.

Метод обнаружения планет имеет под собой следующую физическую основу. Вращающаяся нейтронная звезда – пульсар излучает строго периодические электромагнитные импульсы. Пульсары – чрезвычайно стабильные источники радиосигналов. Поэтому радиоастрономы определяют скорость их движения с точностью до 1 см в секунду.

Гравитационное воздействие планеты приводит к «покачиванию» пульсара и к периодическому прерыванию посылаемого ею радиоимпульса. Открытие первой «настоящей» экзопланеты датируется 1995 годом. В основе открытия – математическая обработка компьютером полученных с помощью телескопа данных наблюдения за движением и светимостью звезды. Оно было сделано астрономами Женевской обсерватории, которые измеряли скорости движения 142 звезд, похожих по своим характеристикам на Солнце и находящихся в «близи» Земли. В результате выяснилось: звезда 51 в созвездии Пегаса, удаленная от Солнца на 50 световых лет, испытывает периодические «покачивания», обусловленные наличием у нее планеты-гиганта. Расстояние между планетой и звездой в 20 раз меньше, чем от Земли до Солнца. Планета мчится с бешенной скоростью, обегая звезду за 4 дня. Из-за близости к звезде поверхность планеты должна быть нагрета до 700 градусов по Цельсию, так сказать, «Горячий Юпитер»! Обнаружились и другие системы, в которых планеты-гиганты образовались очень близко к своей звезде и подобны первооткрывательнице этого списка. Для их обозначения в обиход вошел термин «горячий Юпитер». К 2006 году обнаружено уже свыше 150 таких «горячих Юпитеров».

Следует в тоже время еще раз пояснить смысл термина «поиска планет». Звезды наблюдаются с помощью телескопов, соединенных с компьютером, который управляет процессом согласно созданной для этой цели программе. Регистрируется электромагнитное излучение, испускаемое каждой из наблюдаемых звезд, которое затем анализируется для установления наличия отклонений в их спектре. Например, о присутствии планеты, если наблюдение ведется в видимой части спектра, т.е. фиксируется световой поток, может сигнализировать внезапное увеличение яркости изображения звезды. Причина такого явления может быть связана с гравитационным воздействием планеты на лучи света, исходящие от «Солнца». Когда она проходит между своим «солнцем» и направлением, в котором находится Земля, тяготение планеты, подобно линзе, собирает его лучи.

Разумеется, возможны и другие объяснения таких кратковременных вспышек звезд. Поэтому так много было «открытий», которые истинными открытиями так и не стали. И требуются многократные проверки, чтобы исключить всякие сомнения.

Особые старания астрономов направлены на поиск планет, подобных Земле. В августе 2004 года удача улыбнулась группе португальских ученых, работающих в обсерватории Ла Силья в Чили. В созвездии Жертвенника была открыта планета, которая, по мнению исследователей, не является газовым гигантом и имеет твердую поверхность. Планета делает оборот вокруг своего светила за 9.55 суток и находится от него на расстоянии 13 миллионов километров, т.е. вдесятеро меньшим, чем Земля от Солнца. Масса ее оценивается приблизительно в 14 масс Земли, по размеру она соответствует примерно Урану. Планета официально пока безымянная, но ее уже окрестили Суперземлей. Из-за того, что она расположена близко к звезде, температура на поверхности оценивается в 650 градусов по Цельсию, что слишком много для возможности возникновения любой из известных жизненных форм. Ее скорее можно рассматривать как гигантский аналог Меркурия. На научном форуме в июле 2004 года в Стокгольме новое открытие было названо важнейшим после обнаружения в 1995 года первой «настоящей» экзопланеты. В целом обнаружение экзопланет стало одним из крупнейших достижений 20-го столетия. Стало очевидным: Солнечная система не уникальна. Учитывая, что в нашей Галактике порядка 150 миллиардов звезд, вполне возможно, что у половины из них могут быть планеты. Специалисты в тоже время полагают, что несмотря на интенсивное развитие технологий поиска экзопланет, может пройти не менее десяти лет до того, как ученые смогут обнаружить планеты, подобные Земле.

Таким образом, формирование планет рядом со звездами – закономерный этап развития звездных систем. В то же время Солнечная система во многом нетипична. Земля находится в «зоне жизни», т.е. в области умеренных температур на поверхности планеты и обладает биосферой. Такое особое положение Земли связано с тем, что планеты-гиганты Солнечной системы, которые движутся вне «зоны жизни», позволяют существовать длительное время в такой зоне планетам земного типа.

В 2003 году с помощью орбитального телескопа «Хаббл» в созвездии Скорпиона была обнаружена планета, которую можно считать самой древней из известных на сегодняшний день в Млечном Пути. Ее возраст оценивается в 13 миллиардов лет, т.е. она почти втрое старше Земли, которая сформировалась около 4.5 млрд. лет назад. Планету назвали «Мафусаилом» - в честь библейского патриарха, прожившего 969 лет. Это такой же невероятный для человека возраст, как и возраст 13 млрд. лет для планеты. Большая часть известных экзопланет имеет приблизительно тот же возраст, что и Земля. С точки зрения современной теории развития Вселенной, существует временной порог образования планет, содержащих тяжелые элементы. В первом поколении звезд тяжелых элементов не было, только водород и немного гелия. По мере того, как звезды, израсходовав свое газовое «топливо», взрывались, их остатки разлетались во всех направлениях, попадая на поверхности соседних звезд. В результате реакций термоядерного синтеза образовывались новые, тоже тяжелые, элементы. «Мафусаил», предположительно, из легких элементов, так как его формирование произошло в те времена, когда во Вселенной не существовало углерода и водорода. Планета обращается вокруг красной звездной системы, состоящей из двух звезд в шаровом скоплении М4, которое находится на расстоянии в 5600 световых лет от Земли. Ее масса в 2.5 раза больше массы Юпитера.

Первая фотография экзопланеты получена в апреле 2004 года на Очень Большом Телескопе (ESO, Чили). В сентябре того же года она была сфотографирована и в инфракрасных лучах. Планета обращается вокруг молодого яркого коричневого карлика, который находится на расстоянии от нас 225 световых лет в созвездии Гидры. Планета в пять раз массивнее Юпитера, ее диаметр в полтора больше, чем у Юпитера. Радиус планеты примерно на треть превышает радиус орбиты Плутона.

В созвездии Пегаса у солнцеподобной звезды HD209458, которая находится от Земли на расстоянии 150 световых лет, имеется экзопланета, получившая имя Осирис в честь египетского бога плодородия. Планета массой 0.69 масс Юпитера и размером в 1.3-1.5 раза больше Юпитера, обращается на очень близкой орбите к звезде на расстоянии 7 млн. км. от нее. Поверхность планеты нагрета звездой до 1000 градусов Цельсия. С помощью телескопа «Хаббл» удалось обнаружить в верхних слоях атмосферы планеты свободные атомы углерода и кислорода.

В силу высокой температуры поверхности планета подобна огромной комете, так как имеет огромный шлейф испаряющихся газов. Как следствие, она постоянно теряет вещество, и в конце концов от нее может остаться лишь небольшое твердое ядро.

Исследование таких «горячих Юпитеров» имеет непосредственное отношение к проверке одной из моделей возникновения малых твердых планет, подобных Земле. Возможно, что наша планета в начальный момент формирования Солнечной системы также была подобием газового гиганта с размерами даже больше Юпитера, но с меньшей плотностью. «Солнечный ветер», возникший в момент, когда в ходе эволюции в ядре молодого Солнца начались интенсивные ядерные реакции, постепенно срывал внешнюю газовую оболочку с Земли и ближайших к ней планет. Земля и планеты земной группы (Меркурий, Марс, Венера) сформировались затем из остатков твердых ядер. Часть их вещества была поглощена нынешними планетами-гигантами, а из оставшегося сформировались многочисленные астероиды и кометы.

В первой трети 20-го века господствовала космологическая гипотеза Джинса. Согласно ей, планетная система Солнца образовалась в результате космической катастрофы, почти столкновения двух звезд. В силу крайней маловероятности такого события можно было полагать, что возможность существования в Галактике еще одной «планетной семьи» практически отсутствует. Теперь мы знаем, что планетных систем в Галактике – огромное множество. И Солнечная система – скорее правило, чем исключение в мире звезд. Стало также вполне ясно, что требуется от звезды для поддержания жизни в случае возникновения ее на обращающихся вокруг нее планетах.

На роль «сестры» Земли претендует планета, об обнаружении которой летом 2005 года сообщила команда астрономов из университета Санта-Круз в Калифорнии. Она вращается вокруг звезды Gliese 876 в созвездии Водолея и расположена от нас на расстоянии 15 световых лет. Планета находится к своему солнцу в 50 раз ближе, чем Земля к своему. Поэтому температура на ее поверхности составляет 200-400 градусов Цельсия, что не оставляет шансов для наличия воды в жидком состоянии. Но главное заключается в том, что хотя планета меньше Земли почти в два раза, ее масса в 5.9-7.5 раз превышает массу Земли. Прямых доказательств того, что планета твердая по составу, скалистая, пока нет. Но ее масса говорит в пользу гипотезы, что речь идет не о газовом гиганте. Она – самая маленькая из планет, обнаруженных вне Солнечной системы. В то же время планета такой массы может обладать достаточным притяжением для удержания атмосферы. Американские астрономы подчеркнули, что рассматривают это открытие как подтверждение теории существования небольших планет, пригодных для жизни. Интересно также, что обнаруженная планета – третья из семьи планет звезды Gliese 876. Первая – газовый гигант, примерно в два раза массивнее Юпитера, обнаружена была в 1998 году, вторая, тоже газовый гигант, но с массой в два раза меньшей, чем у Юпитера, в 2001 году.

Обнаружение коричневых карликов позволило пролить свет на механизмы образования звезд и планет. Звезды судя по всему, образуются посредством гравитационного коллапса межзвездного молекулярного газа, в то время как «создание» планет начинается через скопление пылевых частиц микронных размеров. Это различие в происхождении приводит в конечном счете к тому, что если планеты являются спутниками звезд, то коричневые карлики, находясь в определенной звездной системе, ведут как бы независимый образ жизни.

Согласно ряду оценок, в Галактике имеется около восьми миллиардов подходящих звезд, большинство из которых могут иметь планетные системы. Но подходящей для возникновения жизни может быть далеко не каждая планета. Необходимо выполнение трех основных условий для возникновения аналогов земной формы жизни: достаточно постоянная температура, наличие растворителя наподобие воды, атомы типа атомов углерода, которые способны образовывать сложные цепочки молекул. Вполне возможно представить и другие формы жизни на основе аммиака в океанах или на основе кремния. В этой связи стоить напомнить, что из девяти планет Солнечной системы только одна является примером «живой» планеты.

По мнению ученых, находись Земля всего на 5% ближе к Солнцу, то задолго до того момента, когда могла возникнуть жизнь, она подверглась бы в возрасте 1 миллиарда лет воздействию парникового эффекта, ставшего барьером для развития земных форм жизни. А если бы Земля находилась чуть дальше от Солнца, то как только ее атмосфера обогатилась бы кислородом, произошло бы быстрое оледенение, т.е. исчезла бы вода, наличие которой обязательно для развития жизни. Напомним также, что на Венере слишком горячо, а на Марсе – слишком холодно для возникновения жизни.

Космический телескоп «Хаббл» установил, что спектры излучения трех наиболее удачных от нас квазаров показывают явное наличие большого количества железа. Для телескопов наземного базирования установление такого факта невозможно, так как инфракрасный спектр, характерный для излучения атомами железа, лежит в области длины световой волны порядка 1.6-1.7 микрон. Но именно этот диапазон электромагнитного излучения полностью поглощается земной атмосферой. Астрофизикам известно, что железо появляется в результате специфических звездных процессов, заканчивающихся взрывом сверхновых, которые являются поставщиками тяжелых элементов. Такой период звездной эволюции оценивается в 500-800 млн. лет. Квазары, в спектрах которых обнаружено излучение атомов железа, имеют возраст ~ 900 млн. лет. Этот результат означает, что основные компоненты для образования планет и возможной жизни на них присутствовали очень рано в истории Вселенной – намного раньше, чем возникла Земля.

Но всего лишь пять процентов звезд, подобных Солнцу, как показывают подсчеты, могут иметь планеты, аналогичные Земле.

В сентябре 2005 года были обнародованы результаты наблюдений группы американских астрономов, возглавляемой учеными из Рочестерского университета, за двумя очень молодыми звездами. Одна из них, именуемая GM Aurigal, находится от нас на расстоянии 420 световых лет в созвездии Тельца. Другая звезда DM Tauri, находится примерно в том же районе. Обе они очень похожи на наше Солнце, только отроду им пока всего лишь один миллион лет. Астрономы установили наличие «щелей» в газопылевых протопланетных дисках у этих звезд. Их наличие свидетельствует о воздействии гигантских планет-эмбрионов, «прорезавших» себе такие «щели».

Есть все основания полагать, что у подобных звезд наблюдается чрезвычайно раннее формирование планет – газовых гигантов. Данные исследования служат подтверждением теории о том, что гигантские планеты, подобные Юпитеру, формируются намного быстрее, чем предполагалось.

По существу, как отмечают исследователи, мы как бы наблюдаем формирование Солнечной системы в далеком прошлом, а звезды GM Aurigal – это, фактически, более молодая версия нашего Солнца. И промежутки, «щели» в ее протопланетном диске, по размерам соответствуют тому пространству, которое занимают гигантские планеты Солнечной системы. К сожалению, присутствие зародышей планет земной группы выявить пока не удалось.

История открытия экзопланет

Астрометрический поиск. Первые попытки обнаружить экзопланеты связаны с наблюдениями за положением близких звезд. В 1916 американский астроном Эдуард Барнард (1857–1923) обнаружил, что слабенькая красная звездочка в созвездии Змееносца быстро перемещается по небу относительно других звезд – на 10 угл. секунд в год. Астрономы назвали ее Летящей звездой Барнарда. Хотя все звезды хаотически перемещаются в пространстве со скоростями 20–50 км/с, при наблюдении с большого расстояния эти перемещения остаются практически незаметными. Звезда Барнарда – весьма заурядное светило, поэтому возникло подозрение, что причиной ее наблюдаемого «полета» служит не особенно большая скорость, а просто необычная близость к нам. Действительно, звезда Барнарда оказалась на втором месте от Солнца после системы Альфа Кентавра.

Масса звезды Барнарда почти в 7 раз меньше массы Солнца, поэтому влияние на нее соседей-планет (если они есть) должно быть весьма заметным. Более полувека, начиная с 1938, изучал движение этой звезды американский астроном Питер ван де Камп (1901–1995). Он измерил ее положение на тысячах фотопластинок и заявил, что у звезды обнаруживается волнообразная траектория с амплитудой покачиваний около 0,02 угл. сек., следовательно вокруг нее обращается невидимый спутник. Из расчетов П. ван де Кампа следовало, что масса спутника чуть больше массы Юпитера, а радиус его орбиты 4,4 а.е. В начале 1960-х годов это сообщение облетело весь мир. Но не все астрономы согласились с выводами П. ван де Кампа. Продолжая наблюдения и увеличивая точность измерений, Дж.Гейтвуд (G.Gatewood) и его коллеги к 1973 выяснили, что звезда Барнарда движется ровно, без колебаний, а значит массивных планет в качестве спутников не имеет. Однако эти же работы принесли и новую находку: были замечены зигзаги в движении пятой от Солнца звезды Лаланд-21185. Сейчас получены веские доводы, что вокруг этой звезды обращаются две планеты: одна с периодом 30 лет (масса 1,6 Мю, радиус орбиты 10 а.е.) и вторая с периодом 6 лет (0,9 Мю, 2,5 а.е.). Для подтверждения этого открытия ведутся наблюдения.

Планеты у нейтронных звезд. В конце 1980-х годов несколько групп астрономов в разных странах создали высокоточные оптические спектрометры и начали систематические измерения скоростей ближайших к Солнцу звезд. Эта работа специально была нацелена на поиск экзопланет и через несколько лет действительно увенчалась успехом. Но первыми открыли экзопланету радиоастрономы, причем не одну, а сразу целую планетную систему. Произошло это в ходе исследования радиопульсаров – быстро вращающихся нейтронных звезд, излучающих строго периодические радиоимпульсы. Поскольку пульсары – чрезвычайно стабильные источники, радиоастрономы могут выявлять их движение со скоростью порядка 1 см/с, а значит, обнаруживать рядом с ними планеты с массами в сотни раз меньше, чем у Юпитера. Первое сообщение в журнале «Nature» об открытии планетной системы вокруг пульсара PSR1829-10 (обозначался также PSR1828-11 и PSR B1828-10, современное обозначение PSR J1830-10) сделала в середине 1991 группа радиоастрономов Манчестерского университета (М.Бэйлес, А.Лин и С.Шемар), наблюдающих на радиотелескопе в Джодрелл-Бэнк. Они объявили, что вокруг нейтронной звезды, удаленной от Солнца на 3,6 кпк, обращается планета в 10 раз массивнее Земли по круговой орбите с периодом 6 месяцев. В 1994 в неопубликованном сообщении авторы уточнили, что планет три: с массами 3, 12 и 8 земных и периодами, соответственно, 8, 16 и 33 месяца. Однако до сих пор это открытие не подтверждено независимыми исследованиями и поэтому остается сомнительным.

Первое подтвердившееся открытие внесолнечной планеты сделал польский радиоастроном Алекс Вольцжан (A.Wolszczan), который с помощью 305-метровой антенны в Аресибо изучал радиопульсар PSR 1257+12, удаленный примерно на 1000 св. лет от Солнца и посылающий импульсы через каждые 6,2 мс. В 1991 ученый заметил периодическое изменение частоты прихода импульсов. Его американский коллега Дейл Фрейл подтвердил это открытие наблюдениями на другом радиотелескопе. К 1993 выявилось присутствие рядом с пульсаром PSR 1257+12 трех планет с массами 0,2, 4,3 и 3,6 массы Земли, обращающихся с периодами 25, 67 и 98 сут. В 1996 появилось сообщение о присутствии в этой системе четвертой планеты с массой Сатурна и периодом около 170 лет.

Та легкость, с которой планеты были найдены у первого пульсара, вдохновила радиоастрономов на анализ сигналов и других пульсаров (их сейчас открыто более 1000). Но поиск оказался почти безрезультатным: лишь еще у одного далекого пульсара (PSR 1620-26) обнаружилась планета-гигант в несколько раз массивнее Юпитера. До сих пор планетная система пульсара PSR 1257+12 демонстрирует нам единственный пример планет типа Земли за пределом Солнечной системы.

Считается весьма странным, что вообще рядом с нейтронной звездой обнаружились маломассивные спутники. Рождение нейтронной звезды должно сопровождаться взрывом сверхновой. В момент взрыва звезда сбрасывает оболочку, с которой теряет большую часть своей массы. Поэтому ее остаток – нейтронная звезда-пульсар – не может своим притяжением удержать планеты, которые до взрыва быстро обращались вокруг массивной звезды. Возможно, что обнаруженные у пульсара планеты сформировались уже после взрыва сверхновой, но из чего и как – не ясно. Пока планетные системы нейтронных звезд по причине их непонятного происхождения считают чем-то неполноценным.

Успех Доплер-эффекта: планеты у нормальных звезд. Первую «настоящую» экзопланету обнаружили в 1995 астрономы Женевской обсерватории Мишель Майор (M.Mayor) и Дидье Квелоц (D.Queloz), построившие оптический спектрометр, определяющий доплеровское смещение линий с точностью до 13 м/с. Любопытно, что американские астрономы под руководством Джеффри Марси (G.Marcy) создали подобный прибор раньше и в 1987 приступили к систематическому измерению скоростей нескольких сотен звезд; но им не повезло сделать открытие первыми. В 1994 Майор и Квелоц приступили к измерению скоростей 142 звезд из числа ближайших к нам и по своим характеристикам похожих на Солнце. Довольно быстро они обнаружили «покачивания» звезды 51 в созвездии Пегаса, удаленной от Солнца на 50 св. лет. Колебания этой звезды происходят с периодом 4,23 сут и, как заключили астрономы, вызваны влиянием планеты с массой 0,47 Мю (для нее уже предложено имя – Эпикур).

Это удивительное соседство озадачило ученых: совсем рядом со звездой как две капли воды похожей на Солнце бешено мчится планета-гигант, обегая ее всего за четыре дня; расстояние между ними в 20 раз меньше, чем от Земли до Солнца. Астрономы не сразу поверили в это открытие. Ведь обнаруженная планета-гигант из-за ее близости к звезде должна быть нагрета до 1000 К. Горячий юпитер? Такого сочетания астрономы не ожидали. Быть может, за колебания звезды была принята пульсация ее атмосферы? Однако дальнейшие наблюдения подтвердили открытие планеты у звезды 51 Пегаса. Затем обнаружились и другие системы, в которых планета-гигант обращается очень близко к своей звезде; термин «горячий юпитер» прочно вошел в обиход.

Поиском экзопланет сейчас занято более 150 астрономов на различных обсерваториях мира, включая самую продуктивную научную группу Дж.Марси и группу М.Майора. Для выработки терминологии и координации усилий в этой области Международный астрономический союз (МАС) создал Рабочую группу по внесолнечным планетам, первым руководителем которой избран американский астроном-теоретик Алан Бос (A.Boss). Предложена временная терминология, согласно которой «планетой» следует называть тело массой менее 13 Мю, обращающееся вокруг звезды солнечного типа; такие же объекты, но свободно движущиеся в межзвездном пространстве, следует называть «коричневыми субкарликами» (sub>-brown dwarfs). Сейчас этот термин употребляется в отношении нескольких десятков предельно слабых объектов, найденных в 2000–2001 в туманности Ориона и не связанных со звездами. Они излучают в основном в инфракрасном диапазоне и по массе, вероятно, лежат в промежутке между коричневыми карликами и планетами-гигантами. Ничего определенного о них пока сказать нельзя.

Свойства обнаруженных экзопланет. Несколько столетий астрономы бьются на загадкой происхождения Солнечной системы. Главная проблема в том, что нашу планетную системы до сих пор не с чем было сравнить. Теперь ситуация изменилась: практически каждый месяц астрономы открывают новую экзопланету; пока это планеты-гиганты, но скоро новые приборы позволят обнаруживать и планеты земного типа. Станет возможной классификация и сравнительное изучение планетных систем. Это значительно облегчит отбор жизнеспособных гипотез и построение правильной теории формирования и ранней эволюции планетных систем, в том числе – Солнечной системы. На 1 сентября 2001 статистика исследований экзопланет такова:

поиск планет произведен приблизительно у 1000 звезд; это почти все звезды в окрестности 30 пк от Солнца;

у 58 звезд обнаружены планетные системы, содержащие от 1 до 3 планет, всего обнаружено 68 экзопланет;

минимальная масса экзопланеты (M sin i), обнаруженной рядом с нормальной звездой, равна 0,15 Мю;

обнаружены планетные системы у двух радиопульсаров, причем в одной из этих систем (PSR 1257+12) присутствуют планеты земной массы;

заподозрены планеты еще у дюжины звезд;

орбитальные периоды обнаруженных экзопланет лежат в диапазоне от 3 сут до 7 лет, а большие полуоси орбит – от 0,04 до 3,7 а.е.;

эксцентриситеты орбит экзопланет лежат в диапазоне от 0,0 до 0,93; при этом орбит с большим эксцентриситетом оказалось довольно много (в отличие от Солнечной системы, где большие планеты движутся по почти круговым орбитам);

амплитуда наблюдаемых колебаний лучевой скорости звезды под виянием планеты от 10 м/с (инструментальный предел) до 2 км/с;

ближайшая экзопланета обнаружена у звезды Эпсилон Эридана, на расстоянии 10 св. лет от Солнца. Она чуть меньше Юпитера и обращается на расстоянии 3,3 а.е. от звезды чуть менее массивной и менее горячей, чем Солнце;

лишь в одном случае (звезда HD 209458) Земля оказалась почти в плоскости орбиты экзопланеты (i = 85,2 град.). Поэтому астрономы систематически, дважды в неделю, наблюдают прохождения экзопланеты перед звездой, вызывающие неглубокие (1,5%) затмения. Это позволило очень точно установить орбитальные и физические параметры планеты и звезды. В частности, имея массу 0,69 Мю, планета в 1,54 раза больше Юпитера по размеру. Это не удивительно, если учесть, что она обращается на расстоянии всего 0,045 а.е. от звезды, немного более массивной и яркой, чем наше Солнце. В таком положении планета должна быть весьма горячей и иметь протяженную атмосферу.

В целом обнаружение первых внесолнечных планетных систем стало одним из крупнейших научных достижений 20 столетия. Решена важнейшая проблема – Солнечная система не уникальна; формирование планет рядом со звездами – это закономерный этап их эволюции. В то же время становится ясно, что Солнечная система нетипична: ее планеты-гиганты, движущиеся по круговым орбитам вне «зоны жизни», позволяют длительное время существовать в этой зоне планетам земного типа, одна из которых – Земля – имеет биосферу. Другие планетные системы редко обладают этим качеством.

В январе 1998 года начала свою работу группа Англо-Австралийского телескопа. Используя 3,9 метровый телескоп в Австралии, астрономы группы исследовали около 200 близких звезд солнечного типа до 8 звездной величины, находящихся на южном небе. Их программа рассчитана до 2010 года, и уже принесла значительные результаты: в тесном сотрудничестве с Ликской обсерваторией было открыто несколько десятков планет. Спустя десятилетие после открытия первой внесолнечной планеты у нормальной звезды удалось достичь минимального порога масс для планет в 30-40 масс Земли и максимального периода обращения в 10 лет.

В 2004 году, используя новые спектрографы, удалось повысить точность измерения лучевых скоростей до 1 метра в секунду, что позволило сразу открыть совершенно новый класс объектов - так называемые "горячие нептуны" с массами порядка 15 масс Земли. В августе 2004 года свои открытия одновременно опубликовали и европейские, и американские астрономы. Европейские исследователи использовали спектрограф HARPS, установленный на 3,6 метровом телескопе в Ла-Силла. Американцы использовали телескоп Hobby-Eberly (HET) в обсерватории Мак-Дональд (Техас). Используя также и астрометрические данные Хаббловского космического телескопа, что позволило определить наклон планетной системы к лучу зрения, они открыли четвертую внутреннюю планету в уже известной системе 55 Cancri. Спустя год количество "горячих нептунов" достигло десятка. А летом 2005 года группа Дж. Марси объявила об открытии планеты массой около 7 масс Земли. Эта планета стала первой, которая, по-видимому, имеет твердую поверхность и относится к так называемому классу "суперземель". Для обнаружения этой планеты у звезды Glise 876, рядом с которой уже было открыто два газовых гиганта, использовали телескоп Кек на Гавайских островах. Но на этом американские исследователи останавливаться не собираются, следующий их шаг - глубокая модернизация 2,4-метрового телескопа в Ликской обсерватории и создание так называемого "Обнаружителя скалистых планет" (RPF). Он должен обнаружить 5-20 планет с массой, близкой к массе Земли, вокруг звезд, выбранных в качестве целей для будущих космических обсерваторий NASA - SIM и TPF. По-видимому этот проект станет первым для изучения планет земной массы у обычных звезд. В течение месяца каждую ночь телескоп будет непрерывно изучать одну из соседних звезд, чтобы обнаружить минимальные колебания спектральных линий йода, и должен открыть каменные планеты в радиусе до 0,2 астрономических единиц от звезды.

Современные достижения в открытии экзопланет

Фотографии планет, обращающихся вокруг иных звезд, полученные в оптическом и инфракрасном диапазонах. Эти достижения стали возможными благодаря современным телескопам и специальным методам, позволяющим выделять слабый свет планет на фоне яркой засветки от родительских звезд. Космический телескоп NASA "Хаббл" (Hubble) сфотографировал планету у гиганта Фомальгаута (HD 216956) — самой яркой звезды в созвездии Южной Рыбы и одной из ярчайших звезд на всем земном небосклоне (Фомальгаут находится от нас на расстоянии 25 световых лет). По массе Фомальгаут примерно вдвое превосходит Солнце. Автором открытия стала группа американского астронома Пола Каласа из Калифорнийского университета в Беркли. Имеется уже две фотографии экзопланеты, полученные в 2004 и 2006 годах, которые свидетельствуют о том, что планета движется по орбите в полном соответствии с законами небесной механики. За 21 месяц сдвиг был именно таким, как и положено планете, находящейся на 872-летней орбите на расстоянии 119 астрономических единиц от светила (1 а.е. примерно равна 150 миллионам километров). Новооткрытая планета (Фомальгаут b), вероятно, близка по массе к Юпитеру, но при этом удалена от своей звезды в четыре раза дальше, чем Нептун от Солнца. Из-за относительно низкой массы и удаленности орбиты этот объект не мог быть обнаружен более привычными на сегодняшний день методами. Открытие планеты у Фомальгаута в оптическом диапазоне стало своего рода неожиданностью, поскольку произошло лишь благодаря ее исключительной яркости (объект, надо думать, обладает очень высоким альбедо – отражательной способностью). Сообщение об открытии обнародовано 14 ноября 2008 года в журнале Science. Еще в одной статье в Astrophysical Journal дополнительно анализируется взаимодействие между планетой и пылевым диском Фомальгаута с тем, чтобы произвести оценку массы планеты. Не исключено также, что в системе Фомальгаута вскоре отыщется по крайней мере еще одна планета. Все предыдущие сообщения о получении фото экзопланет имели один существенный недостаток: за планету могли принять более массивный коричневый карлик, который на самом деле представляет собой неудавшуюся звезду (массой свыше 13 масс Юпитера) и на ранних этапах жизни ярко светится в инфракрасном диапазоне. Поэтому только сейчас можно с уверенностью утверждать, что получена фотография инозвездной планеты. Примечательно, что практически одновременно с этой работой стало известно и еще об одном достижении, когда с помощью крупнейших гавайских наземных телескопов Keck II и Gemini North, способных работать в инфракрасном диапазоне, группе астрономов из Канады, США и Великобритании под руководством Кристиана Маруа из канадского Института астрофизики имени Герцберга, удалось получить фотографии сразу трех планет у еще одной гигантской звезды — HR 8799 из созвездия Пегаса, которая удалена от нас на 130 световых лет (публикация в том же журнале Science). Каждый из этих объектов (находящихся на расстояниях 25, 40 и 65 астрономических единиц от звезды) в 5–13 раз превышает массу Юпитера. Если их планетная природа в свою очередь подтвердится, то речь можно будет вести не только об очередных снимках экзопланет, но и о первых прямых наблюдениях инозвездных мультипланетных систем. Не прошло и двух недель после обнародования информации об открытии планеты у Фомальгаута и у HR 8799, как стало известно о новом достижении: французским астрономам под руководством Анн-Мари Лагранж из Гренобльской обсерватории удалось получить изображение экзопланеты, расположенной к своей родительской звезде ближе, чем какая-либо иная планета на других подобных снимках. Речь идет об уже хорошо изученной молодой звезде — Бете Живописца (второй по яркости в созвездии Живописца), находящейся от нас на расстоянии около 63 световых лет. Новообнаруженный объект также корректнее пока называть кандидатом в планеты, поскольку еще предстоит подтвердить, что это не коричневый карлик и не фоновая звезда. Последнее, впрочем, почти исключено, поскольку вероятность того, что посторонний объект окажется столь близким (спроецируется на орбиту, по размерам чуть меньше орбиты нашего Сатурна, 8 а.е.), чрезвычайно мала. Наконец, можно вспомнить еще и о том, что в сентябре 2008 года три канадских астронома из Торонтского университета объявили, что им, возможно, удалось получить первую фотографию планеты, обращающейся возле звезды, похожей на Солнце. Новое достижение стало реальностью благодаря использованию Gemini North и системы адаптивной оптики. Помимо снимка (в инфракрасном диапазоне) окрестностей молодой звезды 1RXS J160929.1–210524, находящейся о нас приблизительно в полутысяче световых лет в направлении на созвездие Скорпиона, были получены также спектральные данные, подтверждающие планетарную природу компаньона, масса которого приблизительно в восемь раз превышает массу Юпитера. Расстояние от новообнаруженного объекта до родительской звезды — 330 а.е. ("крайняя" планета в Солнечной системе — Нептун — удалена от Солнца всего на 30 а.е.). Родительская звезда спектрального класса K7 по своей массе лишь немногим уступает Солнцу (85%), однако гораздо моложе его — ей всего 5 миллионов лет.

Заключение

За последние несколько сот лет открылись многие тайны Вселенной. Но чем дальше мы движемся по пути ее постижения, чем дальше уходим от нашего «незнания», тем более удивительной и таинственной предстает она перед нами. Воистину великолепная, ошеломляющая и загадочная Вселенная!

Человек устроен так, что ему очень хочется считать, что он знает все или почти все. К сожалению, этой слабостью грешили и умные, а иногда и мудрые люди, которых принято называть учеными. Каждый из них создавал свою систему мира и считал, что только его система правильная. Поэтому история познания мира полна абсурдов. Напомним только об одном из них. Ученый Лаплас создал свою систему мира, как он считал, самодостаточную. На вопрос Наполеона: «Какова роль Бога в этой системе?» - Лаплас высокомерно ответил: «Моя теория о наличии Бога не нуждается».

На самом деле возможности человека в познании окружающего его мира ограничены, причем очень существенно. Нам не дано видеть даже то, что находится рядом с нами. Надо расстаться с иллюзией, что мы все можем и незнаем.

Человек должен понимать, что его представления о мире, в котором он живет, могут и будут меняться кардинально, и никогда он не сможет сказать, что он этот мир познал. Да это и не нужно и не важно. Важно совсем другое: знать и чувствовать, что ты в этом мире находишься на своем месте, занимаешь свою нишу и не мешаешь другим. К сожалению, человечество пошло другой дорогой и оказалось у разбитого корыта: ни себе ни другим. Оно превратило земной рай в ад, мешать жить другим живым существам и скоро само не сможет жить на Земле.

Вселенная живая. Один ученый сказал, что она ему напоминает мысль. Это очень меткое сравнение, Что касается материальной Вселенной, то современный этап ее эволюции Ж. Леметр описал так: «Эволюция мира можно сравнить со зрелищем фейерверка, который мы застали в момент, когда он уже кончается: несколько красных угольков, пепел и дым. Стоя на остывшем пепле, мы видим медленно угасающие солнца и пытаемся воскресить исчезнувшее великолепие начала миров».

Литература

Стражев, К тайнам Вселенной / В.И. Стражев. – Минск: РИВШ, 2006. – 160с. – (Серия «Концепция современного естествознания»).

Мизун Ю.В., Мизун Ю.Г. Тайны Вселенной. М.: Вече, 2002.

Шевченко, М.Ю. Путешествие по Вселенной / М.Ю. Шевченко. М., 2000.

Ефремов, Ю.Н. Вглубь Вселенной / Ю.Н. Ефремов. М., УРСС, 2003.

Беккер, Б. Наша растущая галактика / Б. Беккер, Ф. Рихтер // В мире науки. 2004. №4.

Райзен, И. Новый сюрприз Вселенной: темная Энергия / И. Райзен // Наука и жизнь. 2004. №3.