6. Современные методы изучения экзопланет

https: //postnauka. ru/video/46031

< iframe height=" 439" src=" https: //www. youtube. com/embed/MG_4w5V0Hjs" title=" YouTube video player" frameborder=" 0" allow=" accelerometer; autoplay; clipboard-write; encrypted-media; gyroscope; picture-in-picture" allowfullscreen> < /iframe>

6. Современные методы изучения экзопланет

СЕРГЕЙ ПОПОВ

Астрофизик Сергей Попов об открытии экзопланет, астрономическом спутнике «Кеплер» и спектральных измерениях

С помощью каких методов происходит открытие экзопланет? Какую информацию об экзопланете можно получить, измеряя ее спектр? Какие результаты были получены в космической обсерватории имени Спитцера? На эти и другие вопросы отвечает доктор физико-математических наук Сергей Попов.

Астрофизика экзопланет сейчас, наверное, самая бурно развивающаяся область астрофизики. Для этого есть несколько хороших причин. Во-первых, область исследований появилась недавно, в конце 80-х — начале 90-х годов, и поэтому не все сливки сняты, еще можно двигаться довольно экстенсивным способом, действительно открывать все больше и больше. Во-вторых, одновременно, что удивительно, разные методики доросли до того уровня, когда стало возможным исследовать и открывать экзопланеты. В-третьих, в отличие от многих других областей, например космологии, интересные результаты можно получать не только с помощью больших суперновых дорогих приборов, но и использовать маленькие приборы или просто скачивать данные, полученные на больших приборах, и с ними работать. Все это приводит к тому, что поток информации об экзопланетах действительно очень велик.

Как же сейчас изучают экзопланеты? С одной стороны, нам все-таки довольно трудно получать какую-то детальную информацию об экзопланетах, поэтому очень часто речь идет именно об открытии. Люди разными способами пытаются открыть экзопланеты: измеряют скорость движения звезды, находят невидимые легкие спутники, наблюдают транзиты (прохождения планет по диску звезды), изучают тайминг двойных систем, радиопульсаров или пульсирующих белых карликов, используют гравитационное линзирование. Все это используется для обнаружения экзопланет.

Но можно показать, что, действительно, даже если взять самый экзотичный способ — это транзиты, для чего, как правило, необходимы космические аппараты, — можно использовать не только большие специализированные спутники типа «Кеплер» стоимостью под миллиард долларов. Почти одновременно с «Кеплером», чуть раньше, был запущен небольшой европейский спутник COROT, который изначально был предназначен для звездной астрофизики — небольшой аппарат для такой немагистральной области астрономии, он должен был изучать пульсации звезд. Но, когда проект уже был готов, начали открывать первые экзопланеты. И люди сообразили, что можно немного изменить программу наблюдений и начать открывать экзопланеты. Они успели это сделать, и таким образом до «Кеплера», первого суперинструмента, супермашины для открытия экзопланет, успели снять сливки, открыли несколько очень интересных объектов, а потом пришел «Кеплер» и открыл много.

Но, даже когда был «Кеплер», канадцы запустили маленький телескоп — сам спутник размером примерно с ведро — для наблюдения достаточно ярких звезд с целью поиска экзопланет. И едва ли не первая экзопланета вокруг звезды, которую можно видеть невооруженным глазом, была открыта с помощью этого маленького недорогого приборчика. Впервые стало возможным выйти ночью и сказать: «А вот вокруг той звезды крутится экзопланета».

То же самое свойственно многим другим методам. Например, чтобы искать планеты по таймингу, то есть по наблюдению каких-то периодических процессов, которые сбиваются из-за присутствия экзопланеты, можно использовать совсем маленькие телескопы, наблюдать большое количество двойных звезд, в которых, например, происходит затмение, и открывать экзопланеты. Люди делают это на небольших инструментах, которые разбросаны по всему миру.

Самые первые экзопланеты вокруг звезд типа Солнца были открыты по измерению скоростей движения звезд вокруг центра масс системы.

Тогда, в середине 90-х, речь шла о скоростях в десятки метров в секунду. Это много, это быстрее, чем бежит Болт. Но сейчас люди, используя те же самые телескопы, ставят на них более совершенное оборудование. Это вообще очень важный подход, люди поэтому любят вкладываться в большие наземные инструменты, потому что сам инструмент проработает десятки лет, нужно только менять электронную начинку, что тоже сложно и дорого, но тем не менее проще и по деньгам, и технически. Поменять что-то на спутнике гораздо сложнее.

И сейчас речь идет уже о совсем других скоростях. Например, для того, чтобы открыть первую планету земного типа, то есть маленькую легкую каменную планету, которая была бы в так называемой зоне обитаемости, где на поверхности планеты в принципе может существовать жидкая вода, понадобилось измерять скорости с точностью уже в десятки сантиметров в секунду. Сейчас точность еще повышена, то есть речь идет об измерении таких скоростей, что делать для звезды, которая находится на расстоянии в сотни световых лет от нас, поверьте, достаточно сложно.

В некоторых случаях люди все-таки могут получать дополнительную информацию об экзопланете, не только определять расстояние от звезды, период обращения, массу и размер. Кстати, не всегда массу и размер удается определить одновременно, что само представляет интересную отдельную задачу, поскольку измерения массы и радиуса делаются совершенно разными методами.

Кроме этого, иногда удается получить дополнительную информацию. Уже в XXI веке люди научились получать спектры экзопланет. Пока речь идет только о крупных планетах, но тем не менее это все равно большой прорыв. Мы действительно можем определять, из чего состоят атмосферы этих планет. Это помогает гораздо лучше строить модели этих объектов, а надо отметить, что мы все-таки не очень хорошо представляем себе, как устроены внутри гигантские планеты даже у нас, в Солнечной системе.

Но в некоторых случаях такие спектральные измерения помогают получить очень интересные данные. Например, люди видят диски вокруг белых карликов, которые образовались в результате разрушения планеты. Часть вещества выпадает на сам белый карлик, и таким образом мы можем узнавать состав вещества этого диска. В одном случае удалось показать, что была разрушена каменная планета с достаточно большим содержанием воды. Конечно, это не то же самое, что прямо открыть каменную планету с большим содержанием воды в ней. Тем не менее это важный результат, показывающий, что такие планеты в принципе существуют.

Мы можем не только изучать спектры с целью определения состава атмосфер, но даже получать интересные результаты, когда никаких линий в спектре не видим. Одно из таких измерений позволило доказать, что одна из сверхземель покрыта очень плотной газовой оболочкой и поверхность сплошь закрыта облаками. Идея довольно простая: если бы в облаках были прогалы или облаков вообще не было, была бы такая довольно прозрачная атмосфера, то мы бы видели линии в спектре. Свет звезды попадал бы в атмосферу, отражался, выходил бы наружу, и по дороге возникали бы эти линии. А никаких линий не видно. Как ни странно, отрицательный результат дает интересную положительную информацию: вся планета сплошь покрыта облаками, и поэтому свет просто не попадает внутрь атмосферы, чтобы потом вернуться к нам.

Планеты изучают в разных диапазонах спектра. Кроме оптического очень активно используют инфракрасное наблюдение. Связано это с тем, что очень часто температура экзопланет составляет сотни или тысячи градусов. Планета может быть горячей или потому, что она находится очень близко от своей звезды, или потому, что она образовалась относительно недавно, продолжает сжиматься и поэтому сама себя греет, излучает больше света, чем поглощает от звезды. И такие инфракрасные наблюдения помогают много интересного узнать о многих крупных планетах. Правда, проводить их все равно оказывается лучше из космоса, и самые интересные результаты были получены на космической обсерватории имени Спитцера.

У нас есть такая хорошая традиция: телескопы, какие-то крупные спутники называют в честь великих ученых, но название спутник получает уже после запуска. То есть невозможна ситуация, когда в новостях мы вдруг читаем, что «Михаил Васильевич Ломоносов» взорвался на старте. Вначале он будет запущен под какой-нибудь аббревиатурой, выйдет на нужную орбиту, заработает, а после этого спутник получит название и будет эффективно работать.

Так вот спутник «Спитцер» получил два интересных результата. Во-первых, удалось регистрировать инфракрасные излучения от экзопланет. Излучения можно выделить, потому что планета периодически оказывается то перед звездой, то за звездой. И мы можем, имея несколько наблюдений, вычесть одно из другого и получить в качестве остатка излучение самой экзопланеты. Такие измерения помогают больше узнать о структуре этих объектов и уточнить модели.

Наконец, совсем в уникальном случае удалось, как пишут, построить карту экзопланеты.

Здесь, конечно, есть некое преувеличение, это совсем не похоже на глобус политической карты мира. Но за счет того, что мы не просто видим планету то перед звездой, то за звездой, а видим процесс, как планета уходит за звезду, и в ходе этого процесса получаем измерения, звезда как бы сканирует планету, и мы можем получить распределение температуры по поверхности.

Это наблюдение иллюстрирует, наверное, предел современных технических возможностей. Люди смогли получить распределение температуры по поверхности экзопланеты, показали, что это распределение неравномерное, что, впрочем, и ожидалось — это планета-гигант, соответственно, у нее мощная газовая оболочка, там происходят конвективные процессы: теплый газ поднимается наверх, холодный газ опускается вниз, поэтому где-то должно быть горячее, где-то холоднее. Но одно дело — иметь что-то в теории, в компьютерных моделях, и совсем другое — измерить это непосредственно.

Наконец, очень большая часть современной работы по изучению экзопланет — это работа с огромным количеством кандидатов в экзопланеты, которые открыл спутник «Кеплер», — собственно, планеты с номером Kepler-186 или 91, еще не добрались до 200. Но «Кеплер», который закончил свою основную программу и уже не работает в штатном режиме, оставил нам в наследство около 20 тысяч кандидатов в экзопланеты, и с этими данными можно и нужно работать.

Во-первых, их просто анализируют, в том числе и непрофессионалы. Есть специальный проект, когда люди могут зайти на сайт, прочесть инструкцию по работе с данными «Кеплера», работать с ними и открывать экзопланеты. Иногда обнаруживаются совершенно удивительные объекты. Например, планета вокруг двойной звезды в четверной системе открыта как раз непрофессионалом, который работал с данными «Кеплера». Но важная работа состоит просто в подтверждении планетного статуса различных объектов, обнаруженных «Кеплером», и здесь работы хватит на всех. К счастью, многое можно сделать на небольших инструментах, которых в мире не один-два, а многие десятки.

Таким образом, современные исследования экзопланет проходят на очень разном уровне: от совсем небольших телескопов, которые доступны едва ли не любителям, до самых больших наземных телескопов и специализированных космических аппаратов.