Автор фотографии, NASA ESA CSA/STScI/Joseph Olmsted
6 октября 1995 года на научной конференции во Флоренции, Италия, два швейцарских астронома сделали заявление, которое изменило наше понимание Вселенной за пределами Солнечной системы. Мишель Майор и его аспирант Дидье Кело, работавший в Женевском университете, объявили, что они обнаружили планету, вращающуюся вокруг звезды, отличной от Солнца.
Рассматриваемая звезда, 51 Пегас, расположена примерно в 50 световых годах от нас в созвездии Пегас. Его компаньон – 51 Пегас b, или Димидий – не был похож на то, что описывалось в учебниках.
Это был газовый гигант с массой, по крайней мере, вдвое меньшей, чем у Юпитера, который вращался вокруг своей звезды всего за четыре дня. Планета была так близко к ней (одна двадцатая расстояния Земли от Солнца, то есть внутри i. Эти линии можно представить как «звездный штрих-код», содержащий информацию о химическом составе звезды.
Майор и Келоз заметили, что «штрих-код» 51 Пегаса ритмично смещался назад и вперед в спектре каждые 4,23 дня – это было характерным признаком того, что звезда колебалась под гравитационным влиянием невидимого компаньона, скрытого в ее полярном сиянии.
После тщательной проверки и исключения других объяснений астрономы пришли к выводу, что колебания были вызваны газовым гигантом, вращающимся очень близко к звезде, такой как Солнце. На первой странице журнала Nature, где была опубликована их статья, был заголовок: «Планета в Пегасе?»
Открытие озадачило научное сообщество, а вопросительный знак на обложке Nature отразил первоначальный скептицизм. Раньше ученые якобы представляли собой гигантскую планету рядом со своей звездой, но не терас».
Это открытие было открытием в двери, которое, однажды открывшись, выпустило настоящий поток. За прошедшие 30 лет было каталогизировано более 6000 экзопланет (планет за пределами Солнечной системы) и кандидатов на этот статус.
Их разнообразие поразительно: не только горячие, но и ультрагорячие Юпитеры, вращающиеся вокруг менее чем за день; миры, вращающиеся вокруг не одной, а двух звезд, таких как Татуин из« Звездных войн »; странные « сверхпузырьковые » газовые гиганты больше Юпитера, но с гораздо меньшей массой; цепочки небольших скалистых планет, сжатых в узкие орбиты.
Открытие Димидия было революцией, и в 2019 году Майор и Келос получили за это Нобелевскую премию. Теперь мы можем предположить, что у большинства звезд есть планетные системы – и все же среди тысяч обнаруженных экзопланет мы еще не обнаружили ни одной, популярный консорциум охотников за планетами, который построил, эксплуатирует и обслуживает спектрограф Harps — N, установленный на телескопе Telescopio Nazionale Galileo на Канарском острове Ла — Пальма.
Этот высокотехнологичный инструмент позволяет нам прервать путешествие звездного света, который может беспрепятственно путешествовать в космосе со скоростью 1,08 миллиарда км/ч в течение десятилетий или даже тысячелетий.
Каждый новый сигнал может приблизить нас к пониманию того, насколько типичными (или уникальными) планетарными системами могут быть такие, как наша. И где-то на горизонте остается возможность того, что однажды мы, наконец, обнаружим еще одну планету, похожую на Землю.
Происхождение исследований экзопланет
До середины 1990-х годов Солнечная система была единственной планетной системой, известной человечеству.
Все теории о том, как формируются и развиваются планеты жить вместе в одном доме.
Фото Getty Images
Но это не помешало величайшим мыслителям в истории задуматься о том, что лежит за пределами нашего мира. Великий философ Эпикур (341–270 гг. до н.э.) писал в письме к Геродоту: «Существует бесконечное количество миров, некоторые из которых похожи на наш мир, другие – нет».
Это утверждение не было основано на каких-либо астрономических наблюдениях, а было выведено из его атомистической философии. Если Вселенная состоит из бесконечного числа атомов, рассуждал он, невозможно, чтобы другие планеты не существовали.
Он также хорошо знал, что это может означать для потенциального появления жизни в другом месте: мы не должны предполагать, что миры обязательно имеют одинаковую форму. В одном мире могут быть семена, из которых появляются животные, растения и все остальное, что мы видим, гравитационное взаимодействие вытягивает потоки газа с их поверхностей в космос, где они впоследствии конденсируются в планеты.
Такие близкие космические столкновения на огромных просторах Вселенной заставили Джинса поверить, что планеты чрезвычайно редки – или даже, как отметил его некролог, «что Солнечная система может быть единственной во Вселенной».
Но к тому времени понимание масштаба Вселенной постепенно менялось.
В 1920 году в Смитсоновском национальном музее естественной истории в Вашингтоне американские астрономы Харлоу Шепли и Хебер Кертис спорили о том, является ли Млечный Путь всей Вселенной или только одной из многих галактик.
Доказательства начали склоняться ко второму варианту, как утверждал Кертис. Это осознание того, что Вселенная содержит не только миллиарды звезд, но открытие планет, вращающихся вокруг звезд 70 Змееносца и 61 Лебедя C – двух относительно близких звездных систем, видимых невооруженным глазом.
Оба случая позже оказались ложными – скорее всего, из-за неточностей в телескопических наблюдениях, возможных в то время, – но, несмотря на это, они значительно повлияли на представления о планетах. Внезапно идея миллиардов планет в Млечном Пути стала восприниматься как реальная научная возможность.
Для нас ничто не иллюстрирует это изменение мышления лучше, чем статья, написанная для Scientific American в июле 1943 года влиятельным американским астрономом Генри Норрисом Расселом. В то время как два десятилетия назад Рассел предсказал, что планеты «должны быть редкими среди звезд», его заголовок теперь гласил «Конец антропоцентризма». Подзаголовок гласил: Сегодня мы можем эффективно измерять массы не только планет, подобных Юпитеру, но даже малых планет, удаленных на тысячи световых лет. В рамках коллаборации Harps — N мы смогли наблюдать развитие науки о малых экзопланетах буквально с первых рядов с 2012 года.
Еще одна важная веха в этой истории была достигнута через четыре года после открытия Димидия, когда канадский аспирант Гарвардского университета Дэвид Шарбонно обнаружил транзит знаменитой экзопланеты – другого горячего Юпитера, известного как HD209458b, который также расположен в созвездии Пегаса примерно в 150 световых годах от Земли.
Транзит – это явление, когда планета проходит перед своим взором с точки зрения наблюдателя, временно уменьшая свою яркость. Помимо самого факта обнаружения экзопланеты, метод транзита позволяет измерить ее радиус – для скорости относительно наблюдателей на Земле. Используя метод радиальной скорости, мы делаем несколько измерений скорости звезды, чтобы найти стабильное периодическое колебание, которое указывает на присутствие планеты.
Фотография CfA
Однако эти изменения скорости чрезвычайно малы. Для сравнения, Земля заставляет Солнце менять свою скорость всего на 9 сантиметров в секунду – медленнее, чем черепаха. Таким образом, чтобы обнаружить планеты с помощью метода радиальных скоростей, нам нужно измерить такие незначительные изменения скорости звезд, которые находятся на расстоянии многих триллионов километров от нас.
Современные инструменты, которые мы используем, являются настоящим достижением инженерного мастерства. Новейшие спектрографы, такие как Harps — N и Espresso, способны измерять десятые доли скоростных сдвигов с высокой точностью возможны не все типы, так как гораздо проще измерить яркость звезд с орбиты – и можно наблюдать сразу много звезд.
Несмотря на разницу в успешности обнаружения, оба метода еще больше совершенствуются. Их комбинация позволяет определить как радиус, так и массу планеты, открывая множество новых возможностей для изучения ее состава.
Чтобы оценить возможный состав обнаруженных экзопланет, мы исходим из простой гипотезы: малые планеты, такие как Земля, состоят из тяжелого железного ядра, более легкой каменистой мантии, определенного количества поверхностных вод и тонкой атмосферы.
Используя наши измерения массы и радиуса, мы можем смоделировать различные возможные структурные слои планеты и их толщину. Это все еще исследование «в процессе», но Вселенная щедро радует нас разнообразием планет.
Мы уже видим признаки действия для ToO» (Target of Opportunity).
Первый абзац был: «Исполнительный совет решил, что мы должны отдать наивысший приоритет этому объекту». Речь шла о планете-кандидате, которая, как считается, вращается вокруг звезды Kepler-78 – звезды немного холоднее и меньше нашего Солнца, расположенной примерно в 125 световых годах в направлении созвездия Лебедя.
Несколько строк ниже я прочитал: «Наблюдение 4–8 июля … Крис Уотсон» со списком из десяти временных интервалов для наблюдения за Kepler-78 – два раза за ночь, каждый раз с точным интервалом в четыре часа и пятнадцать минут.
Возвращаясь к этим заметкам, когда я писал эту статью, я внезапно заметил, что мое имя было Дидье Кело. Он еще не получил Нобелевскую премию.
Фото Getty Images
Кандидат на планету планеты, которая в сочетании с радиусом, полученным от Кеплера, ограничила бы диапазон возможных значений ее плотности и состава.
Просматривая свои заметки в то время, я обнаружил следующую запись: «Требуется 10% ошибка в измерении массы, чтобы получить достаточно точную среднюю плотность, чтобы различать земную, насыщенную железом (например, Меркурий) или водную планету».
В общей сложности я сделал 10 из 81 экспозиции Kepler-78, полученных нашей командой за 97-дневную кампанию наблюдений. Мы узнали, что американская команда исследователей работает над одной и той же потенциальной планетой.
В лучших научных традициях мы согласились представить наши независимые результаты одновременно и синхронно поделиться результатами. В назначенный день, словно во время «обмена пленными», две независимые команды обменялись результатами – и Земля – планета всех размеров и плотностей, обнаруженных в то время, но в остальном этот адский мир лавы находился на крайнем пределе всего известного планетарного разнообразия.
В 2016 году космический телескоп «Кеплер» сделал еще одно знаковое открытие: это система из по крайней мере пяти транзитных планет вокруг солнцеподобной звезды HIP41378 в созвездии Рака.
Особый интерес представляло расположение планет: если большинство транзитных планет, которые мы наблюдали, ближе к своим звездам, чем Меркурий к Солнцу (из-за особенностей наших методов обнаружения), то в этой системе по крайней мере три планеты расположены дальше за орбитой Венеры.
Мы решили использовать наш спектрограф Harps — N для измерения масс всех пяти транзитных планет, но после более чем года наблюдений стало ясно, что одного инструмента недостаточно для Это первая система, которая начинает напоминать нашу Солнечную систему. Хотя планеты там немного больше и массивнее, чем наши скалистые, их расстояния до звезды очень похожи, что помогает нам понять, как во Вселенной формируются планетные системы
