Как ищут чужие планеты?
Рассуждая о полетах к другим звездам, следует понимать, что собственно к звездам нам не надо — нам надо к другим планетам, желательно землеподобным и пригодным для жизни. А как узнать есть ли у соседних звезд планеты? Казалось бы все просто: возьми телескоп побольше, да посмотри. Если далекие галактики можем рассмотреть, то уж у близких звезд должны увидеть и планеты и спутники. Но есть «небольшая» сложность: в отличие от звезд и галактик, планеты практически не светятся сами, а только отражают свет своих звезд. Звезда засвечивает свои окрестности, поэтому, несмотря на развитие астрономической техники в ХХ веке, первую экзопланету — планету у другой звезды — нашли меньше тридцати лет назад.
Сегодня для поиска экзопланет разработано и освоено несколько методов.
Прямое наблюдение
Достаточно большой телескоп сможет рассмотреть достаточно большую и удаленную от своей звезды планету. Но для этого приходится постараться и воспользоваться специальным оборудованием. Чтобы избавиться от яркого света звезды, для поиска планет используют коронограф — непрозрачный диском в оптической схеме телескопа, который позволяет перекрывать свет яркого источника. В сочетании с адаптивной оптикой, эта система позволяет рассматривать крупные и удаленные планеты у соседних звезд. Лучше всего получается находить «молодые Юпитеры», в инфракрасном диапазоне т.к. у них сохраняется высокое тепловое излучение со времен формирования.
Несколько коронографов установили на 8-метровых телескопах обсерватории Gemini и VLT, которые обеспечивают высокое разрешение. И на сегодня уже смогли рассмотреть всего несколько инопланетных систем. Иногда система оказывается настолько молода, что планет еще не видно, зато хорошо различим протопланетный диск, как например у HR 4796, на расстоянии 230 св. лет от нас.
У звезды Бета Живописца смогли даже проследить орбитальное движение планеты за два года
Космическому телескопу Hubble тоже удалось рассмотреть планету в результате многолетних наблюдений пылевого диска вокруг звезды Фомальгаут.
В ближайшие годы количество экзопланет найденных и рассмотренных прямыми методами будет только расти, но пока так открывают и исследуются единичные тела. NASA ведет проект космической обсерватории Exo-S, которая состоит из отдельно выведенного телескопа и коронографа. Но предполагаемой даты запуска пока не называли.
Транзитный метод
Этот косвенный метод позволяет определить число планет, их размеры, орбитальный период и параметры орбиты. В некоторых случаях удается даже получить грубые представления о составе атмосферы. В настоящий момент этот метод рекордсмен по количеству обнаруженных планет, прежде всего потому, что позволяет телескопам работать по площадям, а не концентрировать внимание на одной цели.
Принцип работы транзитного метода — фотометрия. Во время наблюдения регистрируется интенсивность свечения звезды. Если между нами и звездой проходит планета, то яркость звезды падает, и этот момент регистрируется на графике яркости.
Если провалы яркости происходят регулярно, и всегда равны, то можно предполагать, что такое воздействие вызывается планетой.
Колебания яркости звезды может вызывать не только планета, это могут быть внутренние циклы или звезда-компаньон. Поэтому транзитный метод требует подтверждения независимым методом. Сейчас известно несколько тысяч транзитных кандидатов, которые постепенно подтверждают или опровергают.
Несмотря на успехи этого метода, очевидны его недостатки:
Во-первых, планете должно повезти с орбитой, лежащей на линии нашего взгляда с Земли. Например Венера каждые 7,5 месяцев облетает вокруг Солнца, пролетая между нами и ним, однако ближайший транзит будет в 2117 году. Меркурий пролетает чаще, ближайший транзит ждем 9 мая.
Во-вторых, как видим, транзитный метод лучше работает для близких к звезде планет, особенно большого размера. Именно транзитный метод породил массу открытий т.н. «горячих Юпитеров» — близких к своим звездам планет-гигантов. Любопытно, что эти открытия опровергли существующую ранее теорию формирования планетных систем, которая объясняла распределение каменных и газовых планет в Солнечной системе.
В-третьих, поиск землеподобных экзопланет требует длительного времени наблюдения, ведь мало засечь единичный транзит, надо получить статистику: хотя бы три транзита. Т.е. для обнаружения, к примеру, Земли транзитным методом инопланетянам надо три года смотреть на Солнце «не моргая».
Длительные непрерывные наблюдения большого количества звезд стали возможны с развитием космонавтики, и запуском космического телескопа Kepler. Для повышения его эффективности, его направили на звездное скопление в созвездии Лебедя. Это позволило совершить множество открытий, но, к сожалению все эти планеты на расстоянии 2–3 тыс. св. лет, поэтому физически добраться до них или хотя бы рассмотреть, мы можем только мечтать.
Kepler проработал стабильно 4 года, пока не вышли из строя два из четырех двигателей-маховиков, которые позволяли ему поддерживать ориентацию. А нужно минимум три, для прицеливания по трем осям, поэтому теперь он работает в сильно ограниченном режиме используя два маховика и давление солнечного света в качестве третьего. Работоспособность его упала на 95%, но всей статистики наблюдения накоплено столько, что мы еще долго будем слышать об открытиях сделанных с его помощью.
NASA поддержало проект института MIT следующего телескопа для транзитного поиска планет в пределах 100 св. лет вокруг Солнца. Полет TESS ожидается в 2017 году. Думается, его результаты будут привлекать гораздо больше внимания общественности, т.к. планеты будут обнаружены «совсем близкие».
Метод радиальных скоростей (по допплеровскому сдвигу)
Мой любимый метод из-за феноменальных точностей, которые он обеспечивает и элегантной простоте физического принципа, легшего в его основу.
Но для начала немного о теории спектроскопии. Надеюсь все знают, что такое радуга, и как она образуется. Радуга — это спектр Солнца, полученный естественным путем. В спектре излучения сокрыт химический состав звезды, поскольку каждый химический элемент, будучи нагретым, светится каждый своим цветом.
Свечение регистрируется спектрометром и, определяя различные линии спектра, удается определять состав излучающего объекта. Если свет проходит через атмосферу планеты или отражается от поверхности, то часть света поглощается, и в спектре образуются провалы, указывающие на химические элементы, поглотившие свет.
Еще одно физическое явление, необходимое для понимания метода радиальных скоростей — это красное и синее смещение.
Когда изучаемая звезда удаляется от нас, длина волны испускаемого света растягивается, из-за чего весь спектр сдвигается в красную сторону. Если элемент удаляется и излучает красный свет, то мы его регистрируем уже в инфракрасном диапазоне, если зеленый, то в желтом, если синий, то в зеленом, и т.д.
Синее смещение — это обратный процесс. Если звезда несется к нам навстречу, то ее спектр «синеет» — сдвигается в синюю и ультра-фиолетовую сторону.
Как это связано с наличием планет у далеких звезд? Терпение. Нужно учесть еще одно свойство — движение двух тел у одного центра масс.
Все мы знаем, что Земля вращается вокруг Солнца. Это как бы верно, но не совсем. На самом деле Солнце и Земля вращаются вокруг одного центра масс, который не соответствует центру Солнца. Такой эффект есть и у Земли с Луной, а у Плутона с Хароном центр масс находится за пределами Плутона, поэтому они оба вращаются вокруг условной точки между ними.
Разумеется, ничтожно малая масса Земли приводит к совершенно незначительному колебанию Солнца — в пределах 50 км, а вот Юпитер уже неслабо колбасит Солнце, вынуждая его отклоняться на 750 тыс км. Т.е. Юпитер и Солнце так же как и Плутон с Хароном вращаются вокруг точки в пространстве.
А теперь сводим все к одному методу поиска: экзопланета, вращаясь, вокруг своей звезды, вынуждает ее вращаться с отклонением от своего центра масс. Соответственно, относительно внешнего наблюдателя, звезда будет то отдаляться, то приближаться, что будет приводить то к красному, то к синему смещению спектра. Мы можем взять достаточно чувствительный спектрометр, и сможем увидеть как периодически краснеет и синеет спектр звезды, в полном соответствии с орбитальной динамикой планеты.
И, наконец, о точности метода: спектрограф HARPS на 3,6 метровом телескопе Ла Силла Европейской Южной обсерватории позволяет отслеживать движение звезды со скоростью до 1 метра (!) в секунду. Подобный метод позволяет находить землеподобные планеты на расстоянии до 150 св лет от нас, а «юпитеры» до нескольких тыс. световых лет. Как правило, именно метод допплеровского сдвига используют для перепроверки кандидатов планет, полученных транзитным методом.
К сожалению, метод работает точечно, и требует многократных наблюдений каждого объекта, поэтому не успевает угнаться за Keplerом, и не успевает осмотреть окрестные звезды. Однако, недавно HARPS поработал в поиске землеподобной планеты у ближайшей к нам звезды Проксима Центавра, в рамках проекта Pale Red Dot. Результаты еще не опубликованы, но ожидания весьма обнадеживающие.
В целом, эти два метода: транзитный и по допплеровскому сдвигу, составляют практически основу всех поисков:
Пробежимся еще по нескольким оригинальным методам, которые, с некоторыми оговорками, но работают.
Изменение орбитальной фазы отраженного света
Метод похож на транзитный, только регистрирует не падение яркости, а увеличение. Эффект возникает, когда планета у звезды находится в фазе четверти, и часть падающего света отражает в нашу сторону. Это как блеск вечерней/утренней Венеры плюсуется к яркости Солнца. Эффект зависит от размеров экзопланеты, близости ее к звезде, и яркости отраженного света. Метод грубый, зато не требует нахождения орбиты планеты на линии нашего взгляда.
Астрометрический метод
Похож на метод по допплеровскому сдвигу, требует длительных наблюдений, но не требует спектрометров. В ходе наблюдения положение звезды тщательно регистрируется относительно соседних объектов, и если наблюдаются волнообразные отклонения, то это указывает на достаточно массивного компаньона, вынуждающего звезду вращаться вокруг общего центра масс. Понятно, что звезда должна быть небольшой, а ее планета массивной, поэтому так чаще можно находить двойные звезды и коричневые карлики-компаньоны.
Уникальные астрометрические данные за десятилетия наблюдений накоплены в Пулковской обсерватории под Санкт-Петербургом. Сейчас обсерватория переживает нелегкие времена из-за растущего мегаполиса и засвеченного неба.
Метод гравитационного микролинзирования
Оригинальный метод, основанный на эффектах отклонения луча света гравитационным полем массивных объектов. Эффект гравитационной линзы возникает если точно на линии нашего взгляда оказывается два ярких и достаточно массивных тела. Например звезда нашей Галактики проходит между нами и другой далекой звездой или галактикой. Гравитация близкой звезды влияет на свет далекого объекта, отклоняя его, и формируя эффект «линзы». Если гравитационное поле звезды деформируется гравитацией экзопланет в ее системе, то и «линза» получится «бракованная» — с нарушениями.
Развитие этого метода — поиск эффектов линзирования, которые вызываются невидимыми планетами, вплоть до бродячих по Галактике без своих собственных звезд.
Подобные поиски начал недавно Kepler перенацелившись на центр галактики Млечный путь. При проведении этого маневра связь с телескопом была потеряна, но сейчас уже восстановили, и теперь ждем новых данных от телескопа о перспективности метода.
В ближайшем будущем земляне узнают гораздо больше о своем окружении. Запуск комической обсерватории James Webb и строительство европейского Экстремального телескопа, появление более чутких спектрографов на замену HARPS, и результаты астрометрической «переписи населения Галактики» обсерваторией Gaia, позволят гораздо лучше понять строение и происхождение ближайших и отдаленных звездных систем, и узнать есть ли шанс у нас найти «запасную Землю», инопланетную жизнь или даже разумных обитателей экзопланет.
