Інноваційні технології дають змогу астрономам відкривати тисячі світів за межами нашої Сонячної системи.
У жовтні 1995 року, після десятиліть напружених пошуків, астрономи оголосили про перше відкриття планети, що обертається навколо зірки, що схожа на наше Сонце. До того часу кілька планет, про існування яких поза межами Сонячної системи ми вже знали, оберталися навколо пульсарів – згаслих решток зірок – і були виявлені завдяки збуренням у точному часовому ритмі їхнього радіовипромінювання. Оскільки ці дивні залишки зірок майже не нагадували Сонце, відкриття 1995 року остаточно переконало астрономів, що наша Сонячна система дійсно не унікальна. Можливо, що десь існує система, яка майже повністю ідентична нашій. Не виключено, що навіть у Чумацькому Шляху.
Однак перша екзопланета, а також п’ять інших, виявлених у першій половині 1996 року, були схожі на нашу трохи більше ніж ніяк. Оскільки техніка, яка допомогла їх виявити, могла знайти лише масивні планети, ці екзопланети мали масу, порівнянну з масою Юпітера. Але замість того, щоб обертатися навколо своїх зірок на відстані, порівнянній із той, де проходить орбіта Юпітера, чотири з них були дуже близько до зірок. Їхні орбіти були меншими за орбіту Меркурія, а жодна з них не наближалася до розміру Юпітера. До того часу, спираючись на особливості Сонячної системи, усі моделі формування планет передбачали, що малі скелясті планети повинні утворюватися близько до своїх зірок. Аналогічно, набагато більші, переважно газові гіганти, мали формуватися далі, де вони могли б накопичувати великі обсяги матеріалу, ховаючись у прохолоді віддалених від зірки районів.
Ці перші відкриття спонукали теоретиків до активних дій. Вони створили моделі газових гігантів, які зароджуються далеко від своїх зірок, а потім мігрують вглиб зоряної системи під дією гравітаційної взаємодії з диском речовини, що формує планети.
З моменту першого відкриття планет за межами нашої Сонячної системи уявлення про неї, як про еталонний зразок повністю зруйнувалося. І сюрпризи на цьому не закінчувалися.
Багата палітра
Сьогодні перші шість екзопланет становлять 0,1% об’єктів усіх каталогів, що ведуть NASA і Європейське космічне агентство. Астрономи виявили більшість цих планет за допомогою всього двох різних методів, а ще кілька менш популярних методів допомогли відкрити незначну решту. Їхні успіхи підтверджують загальний висновок: екзопланети існують у великій кількості. Вони навдивовижу різноманітні за діаметром, масою, щільністю і складом, а також за розмірами й ексцентриситетом орбіт. Це розмаїття екзопланет підкреслює очевидну з ретроспективи небезпеку використання одного прикладу явища для формування загального уявлення. Виявляється, існує багато шляхів утворення планетної системи. Понад 5000 відкритих на сьогодні екзопланет доводять, що найпоширеніший тип екзопланет взагалі не існує в нашій Сонячній системі.
Натомість звання «найпоширеніших» наразі належить класу суперземель або субнептунів, маса яких коливається між масою Землі й Нептуна. За нашими моделями ці планети зазвичай мають тверде ядро різного розміру, оточене або певної кількістю водню й гелію (подібно до юпітеріанських планет із більшим ядром), або великою кількістю води й більш розрідженою атмосферою. Ті, що не набагато масивніші за Землю, можуть складатися майже повністю з каменю й металу.
Саме дедалі чутливіші інструменти дають астрономам можливість отримувати все більше і більше цікавих даних про екзопланети. Дехто використовує дані, отримані з телескопів на Землі, а дехто – з космічних обсерваторій. Зокрема, у космосі працюють багатоцільові об’єкти, як-от космічний телескоп Габбл (HST) і космічний телескоп Джеймса Вебба (JWST), а також спеціальні космічні апарати, серед яких найвідоміший – CoRoT Європейського космічного агентства, який працював з 2006 по 2013 рік. Також можна згадати космічний телескоп NASA Kepler, який працював з 2009 по 2018 рік, і його наступника, космічний апарат NASA Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS).
Оскільки світло зірок зазвичай в мільярд разів сильніше за слабке відбите світло їхніх планет, астрономи для виявлення екзопланет використовують методи, що базуються на спостереженні саме за зірками. За допомогою все більш точних вимірювань вони виявляють або незначні зміни в русі зірки під впливом гравітаційної сили планети, або мінімальні зміни яскравості зірки, що відбуваються, коли планета проходить перед нею. Ці два методи, відповідно радіальний швидкісний і транзитний, дозволили виявити 93% усіх підтверджених екзопланет.
Відкриття методом вимірювання радіальної швидкості
Радіальна швидкість – це швидкість руху зірки до нас або від нас вздовж лінії спостереження. Понад століття астрономи досліджують спектри зірок, порівнюючи виміряні довжини хвиль із лабораторними значеннями, що відповідають вивченим атомам і молекулам у стані спокою. Цим методом можна визначити склад зірок і характер їхнього руху.
Завдяки вдосконаленню приладів і методів дослідження астрономи тепер можуть визначити радіальну швидкість зірок з точністю до метра (або декількох футів) на секунду. Для людини це еквівалентно повільному кроку. Спостереження, що виявляють повторювані синусоїдальні (вгору-вниз) відхилення в радіальній швидкості зірки, вказують на наявність планети, яка тягне зірку туди-сюди під час свого обертання.
Вимірювання радіальної швидкості надають навдивовижу багату інформацію про планети, які ми не можемо побачити. Час між одним ривком зірки й наступним пов’язаний з періодом обертання планети, а будь-які відхилення від чистої синусоїдальної хвилі вказують на ексцентриситет орбіти.
Оскільки астрономи знають масу зірки (за результатами аналізу її спектру), період обертання планети дає змогу розрахувати розмір її орбіти, а розмір змін в радіальній швидкості зірки (коливання синусоїдальної хвилі вгору-вниз) розкриває масу планети. Масивні планети, що знаходяться близько до своїх зірок, найсильніше впливають на зірку, що виявити легше, тому перші відкриті екзопланети були саме такими. З типу зірки й відстані до планети можна вивести ще один параметр: температуру поверхні планети за відсутності атмосфери. Спеціалісти, які працюють над моделями, можуть запропонувати багато варіантів коливання температури за різних можливих атмосферних умов.
Метод вимірювання радіальної швидкості дає змогу навіть виявити кілька планет навколо однієї зірки. У багатопланетній системі кожна планета впливає на радіальну швидкість зірки, створюючи синусоїдальний малюнок, що додає хаосу до загальної картини. Та астрономи все ж можуть розплутати цей клубок за допомогою ретельного аналізу. Наразі рекорд тримає система із шести планет, і можна очікувати, що за допомогою цього методу ми виявимо ще більші системи.
Сьогодні зміни радіальної швидкості допомогли відкрити понад тисячу екзопланет, що робить цей метод другим за ефективністю. Програми спостережень по всьому світу продовжують пошук планет за допомогою цього методу, розширюючи можливості виявлення все більш невловимих світів – планет із меншою масою, що обертаються далі від своїх зірок, – планет, подібних до тих, що ми бачимо в нашій Сонячній системі.
Відкриття транзитним методом
Транзитний метод на сьогодні є найефективнішим способом відкриття екзопланет. Транзитні спостереження передбачають майже безперервний моніторинг яскравості зірок із метою виявлення мінімальних спадів, які виникають, коли планета проходить безпосередньо перед зіркою. Таке явище має повторюватися регулярно, коли планета завершує кожен оберт навколо зірки. Це відбувається лише в тому випадку, якщо площина орбіти планети майже точно збігається з нашою лінією спостереження.
Оскільки більшість орбіт екзопланет не мають такої вдалої орієнтації, астрономи добре знають, що навіть їхні найкращі інструменти не можуть виявити більшість екзопланет за допомогою транзитного методу, хоча менші орбіти збільшують ймовірність такого розрашування, що зумовлює виникнення транзитів. Наче компенсуючи цю неповноту, транзитні спостереження дають змогу визначити не тільки орбітальний період екзопланети, а й її розмір (хоча й не масу), оскільки астрономи знають розмір зірки, який виявляється за її спектральними характеристиками.
Неспокійна природа атмосфери Землі робить космічні обсерваторії набагато ефективнішими у виявленні найменших змін яскравості зірок, спричинених транзитом. Якби позаземна цивілізація спостерігала транзити планет Сонячної системи, вона б зафіксувала зниження яскравості на 1% під час проходження Юпітера перед Сонцем і на 0,01% під час проходження Землі (що відбувається вп’ятеро частіше). За нашими стандартами, для підтвердження існування екзопланети потрібно щонайменше три спостереження транзиту. Для прикладу, підтвердження транзиту планети розміром з Юпітер на орбіті, яку має Юпітер, потребуватиме щонайменше 10 років.
Екзопланети, виявлені методом транзиту, мають унікальну додаткову перевагу. Порівнюючи спектроскопічні спостереження зірки та планети з високою роздільною здатністю під час транзиту зі спостереженнями лише зірки, астрономи можуть визначити, чи має екзопланета атмосферу. Якщо так, то іноді вони можуть навіть встановити склад цієї атмосфери за її внеском у загальний спектр.
Як і результати вимірювання радіальної швидкості, ритм транзитів, спричинених кількома планетами в системі, можна розділити, щоб визначити розмір і орбітальний період кожної планети. Астрономи застосували цю методику, щоб відкрити одну систему із сімома екзопланетами й іншу з вісьмома. Усі ці планети обертаються майже в одній площині (інакше ми б не змогли їх усі виявити), що схоже на ситуацію в Сонячній системі. Як і у випадку з методом вимірювання радіальної швидкості, виявлення екзопланет за транзитами краще вдається з малими, менш яскравими зірками, планети яких створюють більші зміни швидкості і яскравості. І хоча більшість систем із кількома планетами, які ми виявили, обертаються навколо порівняно малих, легких і тьмяних червоних карликів, деякі з них все ж вдалося виявити навколо зірок, схожих на наше Сонце.
Відкриття методом лінзування
Ще одна техніка виявлення екзопланет заслуговує на увагу своїми вражаючими можливостями (і недоліками): гравітаційне лінзування. Як довів Айнштайн, гравітаційні сили викривляють простір, тому масивний об’єкт, що проходить майже прямо перед більш віддаленим джерелом світла, змінює траєкторію світла від цього джерела, зазвичай фокусуючи його, що призводить до тимчасового збільшення яскравості. Якщо рух зірки проходить майже по лінії зору до більш віддаленої зірки, гравітаційна лінза підсилює світло від більш віддаленої зірки протягом декількох тижнів або навіть місяців, залежно від типової швидкості зірок.
Ці «спалахи» яскравості зірок, які називаються мікролінзуванням, зростають за розміром і тривалістю відповідно до маси зірки, що їх створює. Іноді в цих спалахах трапляються набагато менші, коротші спалахи, що тривають, можливо, кілька годин і накладаються на загальну криву яскравості. Менший спалах, який може бути утворений планетою на орбіті, дає змогу визначити масу планети. Мікролінзування можна спостерігати навіть тоді, коли зірка-лінза знаходиться на відстані десятків тисяч світлових років. Цей діапазон ефективності є близьким або перевищує межі досяжності методу вимірювання радіальної швидкості й методу транзиту, що в більшості випадків є ефективними для зірок, які знаходяться на відстані від сотень до кількох тисяч світлових років. Однак мікролінзування має один великий недолік: це одноразове явище. Після того, як зірка на ближчій до нас точці віддалиться від зірки, що знаходиться далі, повторення цієї ситуації неможливе.
Попереду більше відкриттів
Наразі каталог екзопланет постійно збільшується й налічує понад 1000 об’єктів у понад 800 планетних системах, виявлених за допомогою вимірювання радіальної швидкості, понад 200 об’єктів, відкритих за допомогою ефекту мікролінзування, та близько 4300 об’єктів, виявлених за допомогою методу транзитів. Ще більше потенційних об’єктів чекають на підтвердження через майбутні спостереження. Завдяки складнішим і делікатнішим методам до загального списку додалося кілька десятків нових планет, а ще 82 планети (на момент написання статті) було виявлено за допомогою простого, але дуже складного в аналізі методу прямого зображення.
Майбутні відкриття екзопланет здійснюватимуться двома шляхами: виявлення більшої кількості планет, особливо за допомогою нових інструментів, та вдосконалення аналізу вже відомих екзопланет. Сьогодні астрономи мають три основні (але далеко не єдині) інструменти для відкриття й дослідження планет у Чумацькому Шляху. Незабаром у нас з’явиться ще один, п’ятий, найпотужніший, якщо все піде за планом, то він запрацює приблизно через 20 років.
Три інструменти, які наразі надають найбільшу кількість корисних даних, – це TESS, HST і JWST. Наступний у цьому списку буде космічний телескоп Nancy Grace Roman, запуск якого заплановано на середину 2027 року, а п’ятий – з найбільшим потенціалом для відкриття екзопланет – це Habitable Worlds Observatory або HWO (з англ. – “Обсерваторія придатних для життя світів”), що ще перебуває на стадії розробки. Хоча астрономи, які просувають і координують проєкт HWO, зберігають високий ентузіазм, експерти часто зазначають, що повільне скорочення фінансування найамбітніших проєктів NASA ставить під сумнів готовність космічного апарата до запуску в середині 2040-х років, як заплановано зараз.
Протягом найближчих кількох років понад 7200 кандидатів в екзопланети, виявлених TESS, мають дати щонайменше ще 1000 підтверджених планет, що буде засвідчено повторними спостереженнями транзитів. Потім астрономи зможуть поєднати дані транзитів із вимірами радіальної швидкості, зробленими за допомогою гігантських наземних телескопів, щоб перевірити й покращити точність орбітальних даних, отриманих за спостереженнями TESS. Багато з нововідкритих світів TESS, а також тих, що були виявлені за допомогою інших методів пошуку планет, стануть цінним матеріалом для досліджень JWST, тож для подальшого спостереження за екзопланетами вже зарезервовано багато часу на цьому потужному телескопі.
Очікувані відкриття
Астрономи зможуть проводити ще більше спостережень ексзопланет, коли космічний телескоп Roman приєднається до JWST на орбіті навколо другої точки Лагранжа Земля – Сонце, що забезпечить стабільність орбіти. Як і HST, Roman матиме дзеркало діаметром 2,4 метра. Однак, на відміну від HST, Roman використовуватиме лише два інструменти: ширококутну камеру й коронограф. Камера спостерігатиме космос в інфрачервоному випромінюванні, а також у видимому світлі, і робитиме знімки, такі ж детальні, як і знімки Hubble, але з полем зору в 10 разів ширшим.
Новітній коронограф видимого світла й інфрачервоного випромінювання на Roman використовуватиме серію масок, призм і деформованих дзеркал, щоб блокувати пряме світло від зірки й направляти решту світла з її оточення на висококонтрастну камеру й спектрометр. Це повинно дати коронографу можливість отримувати зображення і спектри планет, яскравість яких становить лише одну мільйонну частину яскравості материнської зірки. Так ми зможемо виявляти й описувати екзопланети, що за діаметром і відстанню від зірки схожі на Юпітер.
Планети, схожі на Юпітер, мають свою цінність, але кінцева мета мисливців за екзопланетами, що цілком зрозуміло, полягає в тому, щоб отримати зображення світів, схожих на Землю, – таких, що мають діаметр приблизно в десяту частину діаметра Юпітера й обертаються навколо своїх зірок на відстані, яка дає змогу існувати рідкій воді на їхній поверхні. Щоб досягти цієї мети, астрономам потрібен набагато більший прилад: HWO з дзеркалом розміром 6,5 метра, як у JWST. А деякі астрономи мріють про ще більший прилад. Хоча HWO досліджуватиме як об’єкти Сонячної системи, так і віддалені галактики, його назва вказує на основну місію: відкриття й вивчення потенційно придатних для життя світів.
Щоб досягти цих цілей, HWO використовуватиме спектроскопію для пошуку біосигнатур в атмосферах екзопланет, а також пряму візуалізацію за допомогою коронографа. Більш амбітні плани щодо HWO передбачають використання сонячного екрана, який на орбіті поблизу HWO блокуватиме майже все світло від об’єкта спостереження. Причина такого підходу в тому, що блокування світла зірки може бути ефективнішим до того, як світло потрапить у телескоп, а не після.
Сонячний екран, що працює в тандемі з коронографом HWO, нарешті створить прилад, здатний отримувати зображення екзопланет, відбите світло яких, як і Землі, в мільярд разів слабше за яскравість материнських зірок. Професор MIT Сара Сігер, одна з лідерів у галузі пошуку екзопланет, поставила собі за головну професійну мету «знайти іншу Землю». Мається на увазі планета розміром з нашу, що рухається по подібній орбіті навколо зірки, схожої на Сонце. У численних інтерв’ю вона зазначає: «Як вид, ми, люди, хочемо знайти щось подібне до нашої [планети]». Це доводить, що астрономи переживають ті самі емоції, що й решта з нас, коли ми дивимося на величезну різноманітність планет у Чумацькому Шляху.
Чи знадобиться для цього ще 20 років? Якщо так, то 50-та річниця відкриття перших екзопланет може стати датою, коли людство знайде двійника Землі в Чумацькому Шляху.