Сергей Попов - Вселенная. Краткий путеводитель по пространству и времени: от Солнечной системы до самых далеких галактик и от Большого взрыва до будущего Вселенной

Астрометрические наблюдения с помощью космических аппаратов и наземных интерферометров позволят открывать экзопланеты.

Кроме изменения блеска звезды-источника также изменяется ее положение. Ожидается, что космический телескоп Gaia («Гайя») позволит в ближайшее время обнаружить эффект астрометрического микролинзированияна нейтронных звездах и черных дырах. Потенциально высокоточные наблюдения в будущем могут позволить обнаруживать таким образом и объекты планетных масс, выступающие в роли линзы. В том числе и одиночные объекты планетных масс, по каким-то причинам оторвавшиеся от своих звезд или родившиеся сразу одиночными.

С космическим телескопом Gaia связывают еще один астрометрический метод поиска экзопланет. При вращении звезды вокруг барицентра системы можно обнаружить не только изменение ее лучевой скорости, но и собственно смещение. Разумеется, оно крайне мало, однако высокоточные измерения положения звезд должны позволить проведение таких измерений. По оценкам, точности приборов Gaia будет достаточно для этого. Также таким методом можно обнаруживать планеты, используя наземные интерферометры. Преимуществом такого подхода является то, что, зная массу звезды, можно непосредственно определить массу планеты.

Все перечисленные методы в некотором смысле являются косвенными, поскольку мы не видим планеты непосредственно, а измеряем эффекты, вызванные их присутствием. Однако существуют методы, позволяющие непосредственно увидеть свет далеких планет.

Первый такой метод связан именно с выделением вклада планеты в общее излучение звезды и ее спутников. Например, в случае транзитной планеты (если она является достаточно мощным источником собственного или отраженного излучения) мы можем увидеть не только падение блеска системы при транзите, но и рост блеска в те моменты, когда одновременно виден и весь диск звезды, и диск планеты. Таким способом удалось изучить свойства нескольких планет, например в системе Кеплер-70.

Вклад планеты можно выделить и изучая спектры. Линии, излучаемые планетой, во-первых, будут соответствовать другим скоростям и смещаться (из-за эффекта Доплера) относительно звездных линий. А во-вторых, по свойствам линий можно понять, что они связаны с относительно холодным веществом. Этот метод также успешно используется.

В нескольких десятках случаев удалось получить непосредственные изображения молодых экзопланет.

Наконец, в редких случаях удается непосредственно получить изображения планет. Как правило, речь идет об объектах, которые находятся достаточно далеко от своих звезд и к тому же достаточно молоды, чтобы являться мощными источниками (в основном в инфракрасном диапазоне).

После своего рождения планеты-гиганты в течение долгого времени продолжают медленно сжиматься, что приводит к выделению энергии. Фотосферы таких планет могут иметь температуры 1000–2000 K. Этого оказывается достаточно, чтобы с помощью крупнейших наземных телескопов получить их изображения и даже спектры. Ярким примером является система HR8799, в которой непосредственно видны четыре планеты-гиганта, удаленные от своей звезды на десятки астрономических единиц.

В Солнечной системе планеты делятся на две основные группы: землеподобные и планеты-гиганты (Уран и Нептун часто выделяют в отдельную подгруппу ледяных гигантов). Обнаружение нескольких тысяч экзопланет помогло существенно расширить классификацию возможных типов планет.

Данные наблюдений позволяют определить массу планеты, ее радиус, расстояние от звезды и количество энергии, получаемое от звезды. В очень редких случаях удается измерить другие параметры, включая даже атмосферные, но эти исключения не влияют на основную классификацию типов планет.

Современная классификация экзопланет в основном базируется на измерении их масс, радиусов и расстояния от звезды.

Планеты формируются в окружающем молодую звезду диске, состоящем из газа и пыли (газа по массе больше). Ближе определенного критического расстояния от звезды (это так называемая снеговая линия) такие соединения, как метан, аммиак, углекислый газ, вода и др., существуют в виде газа, а пылинки состоят в основном из кремния, магния, углерода и железа. За снеговой линией метан, вода и другие подобные соединения замерзают, поэтому возможно образование ледяных пылинок, а потом и более крупных ледяных тел. Поэтому можно выделить три основных компонента, которые могут войти в состав планет: водород и гелий в виде газа, различные «льды» (в недрах планет они могут не принимать привычную нам форму твердого льда) и «камни» (к ним также относят железо и его соединения, и при этом в недрах массивных планет тяжелые элементы могут не формировать твердое ядро).

Параметры планет определяются параметрами протопланетного диска и их местом рождения в нем.

Эволюционно параметры планет задаются свойствами протопланетного диска. Химический состав диска соответствует звездному составу – там доминируют водород и гелий, а количество более тяжелых элементов невелико. Причем элементов группы CNO больше, чем Mg-Si-Fe, что объясняется свойствами термоядерных реакций в звездах и интенсивностью выброса разных продуктов синтеза в межзвездную среду. Поэтому все массивные планеты – газовые, а ледяные в среднем тяжелее каменных.

Если планета сформировалась вдали от звезды, за снеговой линией, то около половины состава (без учета атмосферы) придется на воду и другие «льды», а половина – на более тяжелые элементы. При формировании внутри снеговой линии доля льдов мала (скажем, сейчас вода в составе Земли составляет 0,02 % по массе). Около двух третей приходится на силикаты, а оставшаяся треть – на элементы группы железа.

Основные компоненты планет – это водородно-гелиевые газовые оболочки, «льды» и «камни».

Данные наблюдений позволяют выделить четыре основных типа планет. Первый – это газовые гиганты, примером которых является Юпитер. Второй – ледяные гиганты, подобные Нептуну. Третий – сверхземли, планеты с массами от нескольких земных до долей нептунианской. И, наконец, четвертый – это железно-каменные планеты типа Земли.

Среди планет-гигантов можно выделить несколько подклассов. Во-первых, это так называемые горячие юпитеры . Так называют массивные газовые планеты, располагающиеся вблизи своих звезд (орбитальные периоды их составляют менее нескольких дней). Анализ показывает, что число таких планет невелико, они имеются лишь около 1 % звезд солнечного типа. Тем не менее, поскольку их легко наблюдать и методом транзитов, и методом лучевых скоростей, среди известных планет их доля велика. К этому типу относилась и первая достоверно обнаруженная планета около нормальной звезды – 51 Пегаса b.