Как астрономы находят экзопланеты? Объясните 5 лучших способов

21 марта, НАСА объявило о подтверждении существования 5000-й планеты за пределами нашей Солнечной системы. От палящих газовых гигантов, лежащих близко к своей родительской звезде, до каменистых миров, на поверхности которых может быть вода, есть множество ученых, которых нужно изучать.

Но поиск этих странных новых миров — это отдельная наука. Мы смогли окончательно обнаружить планеты любого типа только в течение нескольких десятилетий, и даже тогда существуют проблемы с обнаружением такого маленького объекта на таком расстоянии даже в самые мощные телескопы.

обратный Я поговорил с Мари-Ив Науд, исследователем экзопланет и координатором по связям с общественностью в Институте исследований экзопланет Университета Монреаля, чтобы рассказать нам больше о том, как астрономы находят эти миры, и о соображениях по каждому методу. Хотя существует множество методов, перечисленные ниже методы являются наиболее распространенными.

Планеты могут вызывать небольшие затмения, которые показывают их присутствие земным наблюдателям. НАСА

транзитный метод

Астрономы нашли большинство известных экзопланет транзитным методом, который впервые был продемонстрирован в 1999 году для подтверждения существования планеты HD 209458b. Космический телескоп НАСА «Кеплер», запущенный в 2009 году, обнаружил тысячи планет на фиксированном участке неба вблизи созвездия Лебедя. Когда планеты проходили по лицу своей звезды, они немного уменьшали звездный свет. Эти изменения уровня освещенности можно обнаружить с помощью приборов, называемых фотометрами.

Чтобы этот метод работал, астрономы должны обнаружить небольшое изменение собственной яркости (светимости) звезды, часто менее одного процента. В космосе этого легче достичь из-за отсутствия атмосферы, мешающей наблюдениям, и это предпочтительный метод для таких миссий, как спутник для маркировки экзопланет Европейского космического агентства (Хуфу) и спутник для исследования транзитных экзопланет НАСА (TESS).

Науд предупредил, что требуется многократное обнаружение, а это означает, что планета должна быть замечена на нескольких орбитах, чтобы убедиться, что тусклый свет не вызван солнечными пятнами или пылью. «Обычно вы ждете, пока не увидите два или три транзита», — сказала она, подчеркнув, что астрономам нужен большой объем данных с помощью метода транзита, прежде чем убедиться, что планета есть.

Как только планета обнаружена, астрономы могут оценить ее радиус. Астрономы должны найти массу отдельно (часто с помощью метода лучевой скорости, описанного ниже). Если астрономы могут определить массу и радиус планеты, они могут определить, будет ли она каменистой или газообразной, что имеет важные последствия для жизни.

Если они обнаружат, что планета каменистая и находится в области родительской звезды, которая, например, может содержать воду, они могут счесть ее пригодной для жизни. Но есть сложности, например, близка ли планета к звезде, которая часто взрывается, как красный карлик. Постоянные взрывы осыпают мир радиацией и угрожают любым возникающим микробам. Вот почему астрономы не уверены, например, есть ли в TRAPPIST-1 какие-либо пригодные для жизни экзопланеты, хотя астрономы обнаружили в этой системе семь экзопланет размером с Землю и несколько в обитаемой зоне.

Некоторые планеты невидимы для нас, и нам нужно подтвердить их существование другими способами, включая гравитационное притяжение. НАСА

Метод лучевой скорости

Лучевая скорость – популярный метод поиска планет, особенно в обсерваториях, таких как прибор для поиска планет с радиальной скоростью высокого разрешения (HARPS) на 3,6-метровом телескопе Ла Силья Европейской южной обсерватории в Чили.

«Мы часто говорим, что планета вращается вокруг звезды, но на самом деле оба тела зависят от своего центра масс», — объяснил Науд. “Эта звезда немного движется, если у нее есть планета. Если много, у нее будет сложное движение”.

Главное — посмотреть на спектр звезды. По мере того, как звезда движется к нам, ее свет сжимается, и спектр становится красным. По мере удаления звезды ее свет растягивается, и спектры становятся синими. Науд объяснил, что на спектр звезды слегка влияет движение планеты, что делает его «своего рода штрих-кодом для звезды».

Первое обнаружение планеты вокруг солнцеподобной звезды таким образом произошло в 1995 году, когда Дидье Кело и Мишель Майор опубликовали свои результаты на 51 Pegasi b. Но это было не первое открытие планет — две были зарегистрированы около PSR B1257+12 в 1992 году, а третья планета была подтверждена в 1994 году. соответствуют С планетой, вращающейся между пульсаром и Землей. Он показывает вам разнообразие научных методов, с помощью которых мы можем найти разные миры.

Непосредственно в системе HR 8799 были получены изображения четырех планет, причем все они массивнее Юпитера. Джейсон Ван (Калифорнийский технологический институт) / Кристиан Маруа (NRC Herzberg)

Живая фотография

Прямая визуализация позволяет ученым убрать свет от звезды, чтобы напрямую увидеть экзопланеты. Вы можете подумать, что это простой метод, но он сложнее, чем кажется. Учитывая, что эти планеты очень малы и имеют относительно мало отраженного света, чтобы их можно было увидеть в телескоп, астрономам все еще трудно реализовать эту технику с помощью современных технологий телескопов. Вот почему астрономы до сих пор обнаружили только 60 или около того планет, используя эту технику.

Однако есть и преимущества: «Это единственный метод, который позволяет напрямую обнаруживать экзопланеты», — сказал Нодд. Хотя эти планеты на данный момент являются светлыми точками, мы сможем увидеть больше деталей в их атмосферах и на их поверхности в отдаленном будущем.

Есть два основных метода, которые сегодня используют ученые для получения изображений в реальном времени. Первый, коронограф, блокирует свет от внешнего слоя звезды (или короны) с помощью устройства внутри телескопа, называемого коронографом, для создания искусственного планетарного затмения.

Например, канадский Gemini Planet Imager установлен на 8,1-метровом телескопе в Южной обсерватории Джемини, Серро Пассион, Чили. Используя позвонок из короны, он нашел первый известный «молодой Юпитер», 51 Airy B, в августе 2015 года (Нодд сказал, что GPI является пионером в области живых изображений).

Второй метод — это тень звезды, которая блокирует свет от звезды до того, как она переместится внутрь телескопа. Звездные шторы, предназначенные для экзопланет, должны быть космическими кораблями, отделенными от телескопа, чтобы обеспечить правильное расстояние и угол, чтобы эффективно блокировать звездный свет, в отличие от звездных штор, используемых для защиты от света нашей звезды, таких как те, что построены на космическом телескопе Джеймса Уэбба. До сих пор в космос не летала тень звезд.

Хаббл обнаружил несколько экзопланет с тонкими линзами, и космический телескоп Джеймса Уэбба может получить шанс сделать то же самое.НАСА

линза для микрогравитации

Хотя астрономы обнаружили значительное меньшинство планет (более 130 на момент написания этой статьи) с помощью метода, называемого микролинзированием, за наблюдениями трудно следить. Проблема в том, что мы часто видим эти миры только один раз. Это потому, что они используют явление, впервые описанное Эйнштейном, в котором большой объект на переднем плане (например, звезда или галактика) заставляет свет гораздо меньшего объекта позади него искривляться. Поскольку это выравнивание на небе короткое и непредсказуемое, часто это означает, что мы не можем повторно исследовать ту или иную планету.

«Это немного расстраивает, потому что это происходит один раз, когда у вас идеальное выравнивание с объектом на заднем плане», — сказал Нодд, предупредив, что создать работу для будущих исследований сложно, «потому что мы видели это только один раз».

Мировоззрение немного меняется, когда вмешивается планета — у нее есть собственная гравитация. Гравитация планеты добавляет к свету звезды дополнительное линзовидное явление, освещая фоновое изображение звезды и позволяя астрономам больше узнать о планете, в том числе о ее массе и периоде обращения, несмотря на преходящий характер события.

Астрономы впервые обнаружили планету таким образом в 2003 году. Это открытие объединило возможности Польского эксперимента с оптическими гравитационными линзами (OGLE), изучающего разнообразие звезд, с японско-новозеландскими микролинзовыми наблюдениями в астрофизике (MOA). Событие микролинзирования известно как 2003-BLG-235 и, вероятно, было планетой в 1,5 раза массивнее Юпитера.

Самая удаленная подтвержденная микропланета — MOA-2011-BLG-291L b, расположенная на расстоянии 28 700 световых лет. Однако есть косвенные доказательства существования планет за пределами нашей галактики, но поскольку события микролинзирования настолько эфемерны, подтвердить их невозможно.

Астрономия основана на изменениях положения звезды, вызванных планетой. Европейское космическое агентство

астрономия

Астрономия отслеживает смещения положения звезды, вызванные экзопланетой, вращающейся вокруг Солнечной системы. Поскольку звезды и их планеты вращаются вокруг центра Барри, астрономы могут обнаружить вибрацию звезды, вызванную планетой, с помощью очень точных инструментов. Этот метод очень сложен, потому что он основан на более точных наблюдениях за лучевой скоростью и был источником многих спорных утверждений.

Печально известный пример астрономических трудностей открытия экзопланет появился в 1963 году. Астроном Свортморского колледжа Питер ван де Камп объявил, что он нашел планету вокруг звезды Барнарда с помощью 24-дюймового рефрактора Суортмора в обсерватории Спроул. Оказалось, что модификации главного зеркала телескопа дали ложный сигнал, а экзопланет не существует.

Ожидается, что миссия Европейского космического агентства Gaia, которая точно отображает положение звезд из космоса, будет использовать астрометрию для поиска экзопланет. Следующий выпуск данных, ожидаемый позднее в этом году, может включать в себя первые внесолнечные астрометрические открытия.

В архиве экзопланет НАСА указана только одна планета, обнаруженная астрономами: DENIS-P J082303.1-491201b, также известная как VB 10b. Однако, поскольку планета (или коричневый карлик, в зависимости от источника, к которому обращались) не появлялась в последующих наблюдениях за лучевой скоростью, «большинство исследователей считают это еще одним ложным срабатыванием», согласно Планетарному обществу. Это потому, что ученые обычно предпочитают сделать как минимум два открытия планеты, чтобы подтвердить ее существование.

Будущее поиска экзопланет

Хотя планетарные открытия в ближайшем будущем, вероятно, будут использовать вариации вышеперечисленных методов, некоторые дополнительные идеи могут позволить нам более подробно взглянуть на другие миры. Одна идея, например, состоит в том, чтобы использовать солнце в качестве гравитационной линзы. Однако для эффективного использования космическому кораблю потребуется преодолеть расстояние в 550 м от Солнца до Земли, что в семь или восемь раз больше, чем у космического корабля «Вояджер» с Земли.

На Земле ученые с нетерпением ждут первого света от Очень Большого Телескопа, европейской обсерватории, которая, как ожидается, сделает прямые снимки некоторых планет и лучше охарактеризует их атмосферы. Работы планируется начать в 2027 году.

Leave a Comment