Автор
Вадим Соколов
Рейтинг автора
4.6

К концу этого раздела вы сможете:

  • Объясните, что мы узнали, открыв экзопланеты.
  • Определите, какие экзопланеты наиболее распространены в Галактике.
  • Обсудите, какие планетные системы мы находим вокруг других звезд.

До открытия экзопланет большинство астрономов ожидало, что другие планетные системы будут очень похожи на нашу собственную - планеты, движущиеся по примерно круговой орбите, причем самые массивные планеты находятся на расстоянии нескольких а.е. от их родительской звезды. Такие системы действительно существуют в большом количестве, но многие экзопланеты и планетные системы сильно отличаются от таковых в нашей Солнечной системе. Еще одним сюрпризом является существование целых классов экзопланет, которых у нас просто нет в нашей солнечной системе: планет с массой между массой Земли и Нептуна и планет, которые в несколько раз массивнее Юпитера.

Результаты Кеплера

Телескоп Кеплера был ответственен за открытие большинства экзопланет, особенно меньших размеров, как показано на рисунке 1, где открытия Кеплера отмечены желтым цветом. Вы можете увидеть широкий диапазон размеров, включая планеты, которые значительно больше Юпитера и меньше Земли. Отсутствие открытых Кеплером экзопланет с орбитальным периодом более нескольких сотен дней является следствием 4-летнего срока службы миссии. (Помните, что для регистрации открытия необходимо наблюдать три равноотстоящих транзита.) При меньших размерах отсутствие планет, намного меньших одного радиуса Земли, связано с трудностью обнаружения транзитов очень маленьких планет. Фактически, «пространство открытий» для Кеплера было ограничено планетами с периодом обращения менее 400 дней и размерами больше Марса.

Рисунок 1: Открытия экзопланет до 2015 года. Вертикальная ось показывает радиус каждой планеты по сравнению с Землей. Горизонтальные линии показывают размеры Земли, Нептуна и Юпитера. Горизонтальная ось показывает время, необходимое каждой планете, чтобы сделать один оборот (в земных днях). Напомним, что Меркурию нужно 88 дней, а Земле - чуть больше 365 дней, чтобы вращаться вокруг Солнца. Желтыми и красными точками показаны планеты, обнаруженные транзитами, а синими точками - открытия с помощью метода лучевых скоростей (Доплера). (кредит: модификация работы миссии НАСА / Кеплера)

Одна из основных задач миссии Кеплера состояла в том, чтобы выяснить, сколько звезд находится на планетах, и особенно оценить частоту встречаемости планет земного типа. Хотя Кеплер изучил лишь очень крошечную часть звезд в Галактике, размер выборки был достаточно большим, чтобы сделать некоторые интересные выводы. Хотя наблюдения применимы только к звездам, наблюдаемым Кеплером, эти звезды достаточно репрезентативны, и поэтому астрономы могут экстраполировать их на всю Галактику.

На рисунке 2 показано, что открытия Кеплера включают множество каменистых планет размером с Землю, что намного больше, чем газовых планет размером с Юпитер. Это сразу говорит нам о том, что первоначальное доплеровское открытие многих горячих юпитеров было необъективным, по сути, обнаружением странных планетных систем, потому что их было легче всего обнаружить. Однако есть одно огромное различие между этим наблюдаемым распределением размеров и планетами в нашей солнечной системе. Наиболее распространенные планеты имеют радиус от 1,4 до 2,8 радиуса Земли, размеры которых у нас нет в Солнечной системе. Их прозвали суперземлями, в то время как другую большую группу размером от 2,8 до 4 человек часто называют мини-Нептунами.

Рисунок 2: Открытия Кеплера. Эта гистограмма показывает количество планет каждого диапазона размеров, обнаруженных среди первых 2213 открытий планет Кеплера. Размеры колеблются от половины размера Земли до 20 раз больше Земли. На вертикальной оси вы можете увидеть долю каждого диапазона размеров от общей суммы. Обратите внимание, что планеты, размер которых от 1,4 до 4 раз больше Земли, составляют самые большие фракции, но этот диапазон размеров не представлен среди планет в нашей солнечной системе. (кредит: модификация работы миссии НАСА / Кеплера)

Какое примечательное открытие заключается в том, что наиболее распространенные типы планет в Галактике полностью отсутствуют в нашей солнечной системе и были неизвестны до обзора Кеплера. Однако следует помнить, что инструментам Кеплера было трудно найти действительно маленькие планеты. Итак, чтобы оценить частоту появления экзопланет размером с Землю, нам необходимо скорректировать эту систематическую ошибку выборки. Результатом является скорректированное распределение размеров, показанное на рисунке 3. Обратите внимание, что на этом графике мы также предприняли шаг, показав не количество обнаружений Кеплера, а среднее количество планет на звезду для звезд солнечного типа (спектральные классы F, G и K).

Рисунок 3: Распределение размеров планет для звезд, подобных Солнцу. Мы показываем среднее количество планет на одну звезду в каждом диапазоне размеров планет. (Среднее значение меньше единицы, потому что у некоторых звезд будет ноль планет этого диапазона размеров.) Это распределение, скорректированное с учетом предвзятости в данных Кеплера, показывает, что планеты размером с Землю на самом деле могут быть наиболее распространенным типом экзопланет. (кредит: модификация работы миссии НАСА / Кеплера)

Мы видим, что наиболее распространенными размерами планет являются планеты с радиусом от 1 до 3 раз больше, чем у Земли, - то, что мы назвали «Землей» и «суперземлями». Каждая группа встречается примерно от одной трети до четверти звезд. Другими словами, если мы сгруппируем эти размеры вместе, мы сможем сделать вывод, что на каждую звезду приходится почти одна такая планета! И помните, что эта перепись включает в основном планеты с периодом обращения менее 2 лет. Мы еще не знаем, сколько неоткрытых планет может существовать на больших расстояниях от своей звезды.

Чтобы оценить количество планет размером с Землю в нашей Галактике, мы должны помнить, что существует около 100 миллиардов звезд спектральных классов F, G и K. Таким образом, мы оцениваем, что в нашей Галактике около 30 миллиардов планет размером с Землю. Галактика. Если мы включим и суперземли, то во всей Галактике может быть сто миллиардов. Эта идея о том, что планет размером примерно с Землю так много, несомненно, является одним из самых важных открытий современной астрономии.

Планеты с известной плотностью

Для нескольких сотен экзопланет мы смогли измерить как размер планеты по транзитным данным, так и ее массу по доплеровским данным, что дало оценку ее плотности. Сравнение средней плотности экзопланет с плотностью планет в нашей солнечной системе помогает нам понять, являются ли они каменистыми или газообразными по своей природе. Это было особенно важно для понимания структуры новых категорий суперземель и мини-Нептунов с массой в 3–10 раз больше массы Земли. Ключевое наблюдение на данный момент заключается в том, что планеты, масса которых более чем в 10 раз превышает массу Земли, имеют существенные газовые оболочки (например, Уран и Нептун), тогда как планеты с меньшей массой по своей природе преимущественно каменистые (например, планеты земной группы).

На рисунке 4 сравниваются все экзопланеты, у которых есть измерения массы и радиуса. Зависимость радиуса от массы планеты также показана для нескольких иллюстративных случаев - гипотетических планет, сделанных из чистого железа, камня, воды или водорода.

Рисунок 4: Экзопланеты с известной плотностью. Экзопланеты с известными массами и радиусами (красные кружки) нанесены на график вместе со сплошными линиями, которые показывают теоретический размер планет из чистого железа, горных пород, воды и водорода с возрастающей массой. Массы даны в единицах, кратных массе Земли. (Для сравнения, Юпитер имеет достаточно массы, чтобы образовать 320 Земель.) Зеленые треугольники обозначают планеты в нашей солнечной системе.

Обратите внимание, что при меньших массах по мере увеличения массы этих гипотетических планет радиус также увеличивается. В этом есть смысл - если бы вы строили модель планеты из глины, ваша игрушечная планета увеличивалась бы в размерах по мере того, как вы добавляли больше глины. Однако для планет с наибольшей массой ( M>1000 M Земля ) на рисунке 4 обратите внимание, что радиус перестает увеличиваться, а планеты с большей массой на самом деле меньше. Это происходит потому, что увеличение массы также увеличивает гравитацию планеты, так что сжимаемые материалы (даже скала сжимаема) станут более плотно упакованными, уменьшая размер более массивной планеты.

На самом деле планеты не являются чистыми композициями, как гипотетическая вода или железная планета. Земля состоит из твердого железного ядра, внешнего ядра из жидкого железа, каменистой мантии и коры и относительно тонкого атмосферного слоя. Аналогичным образом экзопланеты можно разделить на композиционные слои. Теоретические линии на рисунке 4 - это просто ориентиры, которые предлагают диапазон возможных композиций.

Астрономы, работающие над сложным моделированием недр каменистых планет, делают упрощающее предположение, что планета состоит из двух или трех слоев. Это не идеально, но это разумное приближение и еще один хороший пример того, как работает наука. Часто первым шагом к пониманию чего-то нового является сужение диапазона возможностей. Это создает основу для уточнения и углубления наших знаний. На рисунке 4 два зеленых треугольника с примерно 1 M Землей и 1 R Землей представляют Венеру и Землю. Обратите внимание, что эти планеты находятся между моделями чистого железа и чистой каменной планеты, что согласуется с тем, что мы ожидаем от известного смешанного химического состава Венеры и Земли.

В случае газообразных планет ситуация более сложная. Водород - самый легкий элемент в периодической таблице, но многие из обнаруженных экзопланет на Рисунке 4 с массой более 100 M Земли имеют радиусы, которые позволяют предположить, что они меньше по плотности, чем планета из чистого водорода. Водород - самый легкий элемент, так что же здесь происходит? Почему у некоторых планет газовых гигантов надутый радиус больше, чем у вымышленной планеты из чистого водорода? Многие из этих планет находятся на короткопериодических орбитах рядом с главной звездой, где они перехватывают значительное количество излучаемой энергии. Если эта энергия задерживается глубоко в атмосфере планеты, она может вызвать расширение планеты.

Планеты, которые вращаются вокруг своих звезд по слегка эксцентричным орбитам, имеют другой источник энергии: звезда будет вызывать приливы на этих планетах, которые имеют тенденцию делать орбиты круговыми. Этот процесс также приводит к приливному рассеянию энергии, которое может раздуть атмосферу. Было бы интересно измерить размер планет газовых гигантов на более широких орбитах, где планеты должны быть холоднее - ожидается, что эти более холодные экзопланеты газовых гигантов (иногда называемые «холодными Юпитерами»), если они не очень молоды, не должны раздуваться. Но у нас пока нет данных об этих более далеких экзопланетах.

Экзопланетные системы

Когда мы ищем экзопланеты, мы не ожидаем найти только одну планету на одну звезду. В нашей солнечной системе восемь больших планет, полдюжины карликовых планет и миллионы более мелких объектов, вращающихся вокруг Солнца. Имеющиеся у нас свидетельства формирования планетных систем также предполагают, что они могут образовывать многопланетные системы.

Первая планетная система была обнаружена вокруг звезды Ипсилон Андромеды в 1999 году с использованием метода Доплера, и с тех пор было обнаружено множество других (около 2600 по состоянию на 2016 год). Если такие экзопланетные системы распространены, давайте рассмотрим, какие системы мы ожидаем найти в данных о транзите Кеплера.

Планета пройдет мимо своей звезды только в том случае, если Земля находится в плоскости орбиты планеты. Если планеты в других системах не имеют орбит в одной плоскости, мы вряд ли увидим несколько транзитных объектов. Кроме того, как мы отмечали ранее, Кеплер был чувствителен только к планетам с периодом обращения менее 4 лет. Таким образом, то, что мы ожидаем от данных Кеплера, является свидетельством наличия копланарных планетных систем, ограниченных тем, что могло бы быть царством планет земной группы в нашей Солнечной системе.

Фактически, сегодня у нас есть данные примерно о 2600 таких экзопланетных системах. У многих есть только две известные планеты, но у некоторых их целых пять. По большей части это очень компактные системы, большинство планет которых ближе к своей звезде, чем Меркурий к Солнцу. На рисунке ниже показана одна из крупнейших систем экзопланет: система звезды Кеплер-62 (рис. 5). Наша солнечная система показана в таком же масштабе для сравнения.

Рисунок 5: Экзопланета в системе Кеплер-62 с Солнечной системой в том же масштабе. Зеленые области - это «обитаемые зоны», диапазон расстояний от звезды, где температура поверхности, вероятно, будет соответствовать температуре жидкой воды. (кредит: модификация работы NASA / Ames / JPL-Caltech)

Все планеты, кроме одной, в системе К-62 больше Земли. Это суперземли, и одна из них (62d) находится в диапазоне размеров мини-Нептуна, где, вероятно, будет в основном газообразным. Самая маленькая планета в этой системе размером с Марс. Три внутренние планеты вращаются очень близко к своей звезде, и только две внешние имеют орбиты больше, чем Меркурий в нашей системе. Зеленые области представляют «обитаемую зону» каждой звезды, то есть расстояние от звезды, на котором, по нашим расчетам, температура поверхности соответствует температуре жидкой воды. Обитаемая зона Кеплера-62 намного меньше, чем у Солнца, потому что звезда по своей природе более тусклая.

В таких близко расположенных системах планеты могут гравитационно взаимодействовать друг с другом. В результате наблюдаемые транзиты происходят на несколько минут раньше или позже, чем можно было бы спрогнозировать по простым орбитам. Эти гравитационные взаимодействия позволили ученым Кеплера вычислить массы планет, предоставив еще один способ узнать об экзопланетах.

Кеплер открыл несколько интересных и необычных планетных систем. Например, большинство астрономов ожидали, что планеты будут ограничены одиночными звездами. Но мы обнаружили планеты, вращающиеся вокруг близких двойных звезд, так что планета могла бы видеть на своем небе два солнца, как у вымышленной планеты Татуин в фильмах « Звездные войны» . С другой стороны, планеты могут вращаться вокруг одной звезды широкой двойной звездной системы без серьезного вмешательства со стороны второй звезды.

Ключевые концепции и резюме

Хотя миссия Кеплера обнаруживает тысячи новых экзопланет, они ограничены периодом обращения менее 400 дней и размером больше Марса. Тем не менее, мы можем использовать открытия Кеплера для экстраполяции распределения планет в нашей Галактике. На данный момент данные предполагают, что планеты, подобные Земле, являются наиболее распространенным типом планет, и что в Галактике может быть 100 миллиардов планет размером с Землю вокруг звезд, подобных Солнцу. Около 2600 планетных систем было обнаружено вокруг других звезд. Во многих из них планеты устроены иначе, чем в нашей солнечной системе.

Глоссарий

супер-Земля:планета больше Земли, обычно в 1,4-2,8 раза больше нашей планеты.

мини-Нептун:планета, занимающая промежуточное положение между самой большой планетой земного типа в нашей солнечной системе (Земля) и самой маленькой планетой-гигантом (Нептун); как правило, мини-Нептуны имеют размер от 2,8 до 4 раз больше земного.

Новости спорта

Изначально сайт создавался для пользователей со всех стран мира. Международный домен ориентирован на самых разных пользователей. Страницы сайта переведены на 46 языков, среди которых есть и азербайджанский. Это выгодно выделяет платформу на фоне конкурентов, так как многие из них либо не работают на территории данной страны, либо не имеют местной локализации.

Больше новостей