Благодаря инновационным технологиям астрономы смогли обнаружить тысячи планет за пределами Солнечной системы.
В октябре 1995 года, после десятилетий упорных поисков, астрономы впервые объявили об открытии планеты, вращающейся вокруг звезды, напоминающей Солнце. До этого момента немногие известные науке планеты за пределами Солнечной системы являлись спутниками пульсаров — сколлапсировавших остатков выгоревших звёзд. Эти загадочные «угли» выдавали присутствие планет лишь мельчайшими сбоями в точнейшем ритме их радиосигналов. Поскольку пульсары мало напоминали Солнце, находка 1995 года стала для астрономов долгожданным подтверждением: в Млечном Пути действительно существуют звёздные системы, родственные нашей, а возможно, и почти идентичные ей.
Тем не менее, первая экзопланета и ещё пять, обнаруженных в первой половине 1996 года, оказались не более чем дальними родственниками Земли. Способ, обеспечивший их обнаружение, обладал достаточной чувствительностью только к массивным объектам, и потому все эти планеты были сравнимы по массе с Юпитером. Однако в отличие от него, находящегося далеко от Солнца, четыре из них обращались вокруг своих звёзд на расстояниях, гораздо меньших, чем расстояние от Меркурия до нашего светила, и ни одна не достигала размеров Юпитера. До тех пор, опираясь на Солнечную систему как на образец, учёные полагали, что вблизи звезды формируются лишь небольшие, каменистые планеты, а крупные, в основном газовые — намного дальше, где ниже температура и больше доступного вещества.
Эти неожиданные открытия заставили теоретиков пересмотреть устоявшиеся модели. Были разработаны сценарии, согласно которым газовые гиганты зарождаются на периферии системы, а затем мигрируют внутрь, взаимодействуя с протопланетным диском — облаком вещества, из которого формируются планеты.
С того момента, как была найдена первая планета за пределами Солнечной системы, идея о типичности нашей звёздной системы была окончательно опровергнута. И череда сюрпризов не прекращалась.
Планетное изобилие
Сегодня те самые первые шесть экзопланет составляют всего лишь 0,1 % записей в обширных каталогах NASA и Европейского космического агентства (ESA). Подавляющее большинство этих находок были сделаны благодаря всего двум методам обнаружения, тогда как остальные — при помощи нескольких дополнительных, менее распространённых техник. Тем не менее, результаты впечатляют: экзопланеты многочисленны и демонстрируют поразительное разнообразие — по диаметру, массе, плотности, химическому составу, а также по размерам и форме орбит. Это планетное изобилие с заметной лишь задним числом очевидностью показало, насколько ошибочно было строить теории основываясь на одном единственном примере. Оказалось, существует множество путей формирования планетных систем. Более того, наиболее распространённый тип экзопланет и вовсе не представлен в Солнечной системе.
Эту нишу занимают так называемые суперземли и субнептуны — планеты массой превышающие земную и недотягивающие до нептунианской. В типичных моделях они представляют собой каменистые ядра различной величины, окружённые либо водородно-гелиевыми оболочками (как у газовых гигантов с массивным ядром), либо толстым слоем воды и тонкой атмосферой. Менее массивные суперземли могут состоять почти исключительно из камня и металла.
Бурный рост знаний об экзопланетах стал возможен благодаря всё более чувствительным инструментам. Часть данных поступает с наземных телескопов, но всё больше — со специализированных орбитальных обсерваторий. Среди них — универсальные космические телескопы, такие как Hubble (HST) и James Webb (JWST), а также аппараты, специально созданные для поиска планет: европейский CoRoT (работал с 2006 по 2013 год), американская обсерватория Kepler (2009–2018) и её преемник TESS.
Поскольку свет звезды в миллиарды раз ярче тусклого отражённого света планеты, наиболее результативные методы обнаружения экзопланет фокусируются именно на этих небесных светилах. Астрономы с высочайшей точностью измеряют либо едва уловимые колебания движения звезды под действием гравитации планеты, либо незначительные изменения её яркости во время транзита планеты на фоне диска звезды. Эти два метода — радиальной скорости и транзитный — ответственны за 93% всех подтверждённых открытий.
Обнаружение планет методом радиальных скоростей
Радиальная скорость описывает движение звезды вдоль луча зрения — то есть в направлении к нам или от нас. Уже более ста лет астрономы анализируют спектры звёзд, сравнивая наблюдаемые длины волн с лабораторными значениями для атомов и молекул в состоянии покоя. Это позволяет не только определить химический состав звезды, но и смоделировать траекторию её движения.
Современные усовершенствованные инструменты и методы позволяют измерять радиальные скорости с точностью до одного метра в секунду — это сопоставимо со скоростью прогулки человека. Если звезда демонстрирует регулярные синусоидальные (вверх-вниз) колебания радиальной скорости, это свидетельствует о наличии планеты, которая, вращаясь, периодически притягивает и отталкивает звезду гравитацией.
Наблюдения радиальных скоростей дают поразительно обширную информацию о невидимых планетах. Интервал между последовательными «толчками» указывает на орбитальный период планеты, а отклонения от идеальной синусоиды раскрывают эксцентриситет (вытянутость) её орбиты.
Зная массу звезды (определяемую по её спектру), астрономы могут по периоду обращения вычислить размеры орбиты планеты. Амплитуда колебаний радиальной скорости, в свою очередь, указывает на массу самой планеты. Наиболее массивные планеты, расположенные близко к своей звезде, вызывают самые заметные и легко обнаруживаемые сигналы — именно поэтому первыми были открыты именно такие миры. Ещё один важный параметр, который можно оценить — это температура поверхности планеты при отсутствии атмосферы, вычисляемая по типу звезды и расстоянию до неё. Теоретические модели позволяют также предсказать, как температура может меняться при наличии различных типов атмосфер.
Метод радиальных скоростей способен обнаруживать и сразу несколько планет в одной системе. Каждая планета накладывает собственную синусоиду на общую траекторию звезды, создавая на первый взгляд хаотичный, наложенный сигнал. Однако грамотный спектральный анализ позволяет «развязать» эти колебания и выделить отдельные планеты. На сегодняшний день рекорд обнаружения данным методом принадлежит системе, содержащей шесть планет, и вполне возможно, что ещё более многопланетные системы будут открыты в будущем благодаря этому методу.
В общей сложности, на данный момент при помощи метода радиальных скоростей открыто более тысячи экзопланет, что делает его вторым по эффективности способом обнаружения новых миров. Программы наблюдения за небом по всему миру продолжают применять этот подход, всё глубже расширяя границы чувствительности и позволяя находить всё более неуловимые объекты — лёгкие планеты, вращающиеся далеко от своих звёзд, такие же как в Солнечной системе.
Транзитный метод
Транзитный метод — безусловный лидер среди способов обнаружения экзопланет. При использовании этого подхода астрономы практически непрерывно измеряют яркость звёзд в поисках малейших её спадов, вызванных прохождением планеты на фоне диска звезды. Такие затмения происходят регулярно, каждый раз, когда планета завершает полный оборот, но возможны лишь в том случае, если плоскость орбиты почти точно совпадает с направлением на наблюдателя.
Поскольку большинство орбит экзопланет не имеют столь удачного наклона, учёные прекрасно осознают, что даже самые чувствительные инструменты способны фиксировать лишь малую их долю. Однако чем ближе планета к своей звезде, тем выше вероятность, что её орбита приведёт к транзиту. К счастью, несмотря на неполноту выборки, транзитный метод предоставляет сразу два важных параметра: орбитальный период планеты и её размер (хотя массу с помощью него не определить). Это возможно благодаря известному радиусу звезды, который устанавливается на основе её спектра.
Нестабильность нашей атмосферы сильно ограничивает точность наземных наблюдений, поэтому космические обсерватории обеспечивают гораздо более надёжное выявление слабейших спадов яркости. Если бы внеземная цивилизация вела наблюдения за транзитами планет Солнечной системы, она бы зафиксировала падение яркости Солнца на 1 % при прохождении Юпитера и на 0,01 % — при транзите Земли (причём в пять раз чаще). Согласно современным стандартам, экзопланета считается подтверждённой, только если транзит зафиксирован как минимум трижды. А значит, планета типа Юпитера, обращающаяся по аналогичной орбите, потребовала бы не менее 10 лет наблюдений.
Транзитный метод даёт уникальную дополнительную возможность. Если сравнить спектр звезды, полученный во время транзита, с её спектром в отсутствие планеты, можно определить, обладает ли экзопланета атмосферой. Более того, в некоторых случаях удаётся даже выявить состав этой атмосферы — по его вкладу в общий спектр.
Подобно методу радиальных скоростей, транзитные кривые в многопланетных системах позволяют выделить индивидуальные ритмы каждой планеты и определить их размеры и орбитальные периоды. Таким образом была открыта система с семью экзопланетами, а также система Kepler-90, включающая восемь. Все эти планеты движутся почти в одной плоскости (иначе мы бы их просто не увидели) — так же, как и планеты Солнечной системы.
Как и в случае с радиальными скоростями, транзитный метод особенно эффективен при наблюдении за маломассивными и тусклыми звёздами — планеты вокруг них вызывают более заметные колебания их яркости и скорости. Несмотря на то, что большинство известных многопланетных систем были обнаружены вблизи красных карликов, некоторые из них вращаются и вокруг звёзд, похожих на Солнце.
Обнаружение планет при помощи гравитационного линзирования
Ещё один метод обнаружения экзопланет заслуживает особого внимания — за свои впечатляющие возможности и одновременно ограничения. Речь идёт о гравитационном линзировании. Как показал Эйнштейн, гравитация искривляет пространство, и потому массивный объект, проходящий почти точно перед удалённым источником света, способен изменить траекторию световых лучей, фокусируя их и вызывая временное увеличение яркости источника.
Если звезда в своём движении почти пересекает линию прямой видимости к более далёкой звезде, её гравитационное поле может усилить свет от фона на несколько недель или даже месяцев — в зависимости от характерной скорости движения звезды.
Такие события называют микролинзированием. Размер и продолжительность этих «всплесков» яркости напрямую зависят от массы звезды, вызывающей линзирование. Однако иногда на фоне общего всплеска возникает гораздо меньший и кратковременный импульс — длительностью всего в несколько часов. Этот дополнительный сигнал может быть вызван планетой, вращающейся вокруг звезды-линзы, и позволяет определить массу этой планеты.
Особенностью метода является то, что микролинзирование позволяет регистрировать объекты, находящиеся даже на расстоянии в десятки тысяч световых лет — что значительно превышает пределы, достижимые методами радиальных скоростей и транзита, которые в основном работают с объектами в пределах нескольких тысяч световых лет. Однако у него есть серьёзный недостаток: событие наблюдается лишь однажды. После того как передняя звезда сместится, повторение условий наблюдения становится невозможным.
Впереди — новые открытия
Каталог экзопланет стремительно расширяется. Уже подтверждено свыше 1000 планет в более чем 800 планетных системах, открытых методом радиальных скоростей; более 200 — с использованием эффекта микролинзирования; и около 4300 — при помощи транзитного метода. Кроме того, существует множество кандидатов, ожидающих подтверждения в ходе дальнейших наблюдений.
Более сложные и тонкие методы добавили к списку ещё несколько десятков планет, а метод прямого наблюдения, хотя и крайне трудоёмкий, поспособствовал на сегодняшний день 82 открытиям.
Будущие открытия будут развиваться по двум направлениям: во-первых, это обнаружение новых планет при помощи более совершенных инструментов; во-вторых — более глубокое изучение уже известных экзопланет. В распоряжении астрономов сейчас имеются три основных, но далеко не единственных, инструмента для поиска и анализа планет в нашей Галактике. К ним скоро должен присоединиться четвёртый, а запуск пятого — самого мощного — запланирован на перспективу около 20 лет.
Сегодня ключевыми источниками данных являются обсерватории TESS, Hubble и JWST. Следующим на очереди стоит космический телескоп Nancy Grace Roman, запуск которого намечен на середину 2027 года. А Habitable Worlds Observatory (HWO), всё ещё находящийся в стадии разработки, считается наиболее перспективным проектом по поиску обитаемых миров. Несмотря на энтузиазм учёных, участвующих в создании HWO, аналитики отмечают, что постоянные сокращения финансирования наиболее амбициозных программ NASA ставят под сомнение готовность аппарата к запуску в середине 2040-х годов — как это предусмотрено текущими планами.
По прогнозам, в течение ближайших лет из более чем 7 200 кандидатов, обнаруженных с помощью TESS, будет подтверждено не менее тысячи экзопланет. Повторные наблюдения транзитов позволят уточнить эти данные, а совмещение с измерениями радиальных скоростей, полученными при помощи наземных телескопов, даст более точную информацию об орбитальных параметрах.
Многие из обнаруженных планет, включая те, что были найдены при помощи других методов, становятся объектом подробных исследований с использованием возможностей JWST. Существенная часть времени наблюдений на этом телескопе зарезервирована специально для изучения экзопланет.
Ожидаемые открытия
После запуска космического телескопа Nancy Grace Roman астрономы рассчитывают на значительное расширение базы наблюдений экзопланет. Он присоединится к JWST в окрестностях второй точки Лагранжа системы «Солнце — Земля», находящейся примерно в 1,5 миллионах километров от Земли по направлению от Солнца. Эта орбитальная позиция обеспечивает стабильность, критически важную для длительных астрофизических наблюдений.
Nancy Grace Roman оснастят зеркало диаметром 2,4 метра, подобно тому, что установлено на Hubble. Однако в отличие от своего предшественника, Roman будет использовать всего два научных инструмента: широкоугольную камеру и коронограф. Камера сможет фиксировать изображения в инфракрасном и видимом диапазонах с разрешением, сопоставимым с Hubble, но при этом охватывать в 10 раз большее поле зрения.
Коронограф, впервые сочетающий возможности наблюдений в видимом и инфракрасном спектрах, будет использовать систему масок, призм и деформируемых зеркал для блокировки прямого света от звезды. Оставшийся свет близ звезды будет направляться в высококонтрастную камеру и спектрометр. Предполагается, что эта система позволит получать изображения и спектры планет, чья яркость составляет всего одну стомиллионную долю яркости родительской звезды — то есть характерных для гигантов типа Юпитера по размеру и орбитальным характеристикам.
Юпитероподобные планеты — безусловно важные объекты для исследования, однако главная цель охотников за экзопланетами остаётся прежней: получение изображений планет, подобных Земле — примерно в десять раз меньше Юпитера по диаметру и находящихся на расстоянии от звезды, при котором возможно наличие жидкой воды.
Для реализации этой задачи необходим гораздо более мощный инструмент — Habitable Worlds Observatory (HWO). Он должен быть оснащён зеркалом диаметром не менее 6,5 метра, как у JWST, а некоторые концепции предполагают ещё более крупную оптическую систему. Несмотря на то, что HWO также будет использоваться для наблюдений объектов Солнечной системы и далёких галактик, его основная миссия заложена в самом названии — поиск и изучение потенциально обитаемых миров.
Для достижения поставленных целей HWO будет использовать спектроскопию — метод, позволяющий выявлять возможные биомаркеры в атмосферах экзопланет, а также метод прямого наблюдения при помощи коронографа. В более амбициозных версиях проекта HWO предусматривается установка специального солнечного экрана, находящегося на отдельной орбите, синхронизированной с телескопом — чтобы блокировать свет звезды до того, как он попадёт в оптику прибора. Это позволит достичь более эффективного подавления звёздного света по сравнению с внутренней оптической блокировкой.
Работающая в тандеме с коронографом система солнечного экрана наконец-то создаст условия для получения изображений экзопланет, отражённый свет которых, как и у Земли, более чем в миллиард раз слабее света их звезды. Профессор MIT Сара Сигер — одна из лидеров в области поиска экзопланет — определяет свою главную научную цель как «поиск второй Земли». Речь идёт о планете, сходной по размеру с нашей и движущейся по аналогичной земной орбите вокруг звезды типа Солнца.
«Как человеческий вид, мы хотим найти нечто, похожее на наш собственный мир», — отмечает она в интервью, подчёркивая, что астрономы испытывают те же чувства, что и все остальные, когда размышляют о многообразии планет в нашей Галактике.
Потребуется ли на это ещё 20 лет? Если да, то к 50-летию первых подтверждённых открытий экзопланет человечество вполне может обнаружить почти полную копию Земли где-то на просторах Млечного Пути.