Поколение назад идея планеты, вращающейся вокруг далекой звезды, все еще находилась в сфере научной фантастики. Но с момента открытия первой экзопланеты в 1988 году мы обнаружили сотни из них, и со временем открытия будут происходить более быстрыми темпами.
Связанный контент
- Вероятно, существует гораздо больше похожих на Землю экзопланет, чем мы себе представляли
- 5 самых крутых планет, вращающихся вокруг далеких звезд
В прошлом месяце в одном сообщении астрономы НАСА раскрыли открытие 715 ранее неизвестных планет в данных, собранных космическим телескопом Кеплера, в результате чего общее число известных экзопланет достигло 1771. Внутри этого есть все виды экзопланет: некоторые, которые вращаются вокруг двух звезд некоторые полны воды, некоторые размером примерно с Землю, а некоторые в два с лишним раза больше Юпитера.
Но у подавляющего большинства всех этих далеких планет есть одна общая черта - за некоторыми исключениями, они слишком далеко, чтобы мы могли их видеть, даже с нашими самыми мощными телескопами. Если это так, откуда астрономы знают, что они там?
За последние несколько десятилетий исследователи разработали множество методов для обнаружения множества планет за пределами нашей солнечной системы, которые часто используются в комбинации для подтверждения первоначального открытия и получения дополнительной информации о характеристиках планеты. Вот объяснение основных методов, используемых до сих пор.
транзит
Представьте себе, что вы смотрите на маленькую планету, вращающуюся вокруг звезды далеко-далеко. Иногда планета может проходить между вами и ее звездой, на короткое время блокируя часть звездного света. Если это затемнение происходило с достаточной частотой, вы могли бы вывести присутствие планеты, даже если не видите его.
(Изображение через Wikimedia Commons / Никола Смоленский) Это, по сути, является транзитным методом обнаружения экзопланет, ответственным за большинство наших открытий экзопланет до сих пор. Конечно, для далеких звезд нет никакого способа, которым невооруженный человеческий глаз мог бы надежно обнаружить ослабление света, которое мы видим, поэтому ученые полагаются на телескопы (в частности, космический телескоп Кеплера) и другие инструменты для сбора и анализа. эти данные.
Таким образом, для астронома «видение» удаленной экзопланеты с помощью метода транзита обычно выглядит примерно так:
Количество света от далекой звезды в графическом виде падает, когда планета проходит между нами и нами. (Изображение через Wikimedia Commons / Сам посчитал) В некоторых случаях величина затемнения, вызванного переходом планеты между ее звездой и нами, также может дать астрономам приблизительную оценку размера планеты. Если мы знаем размер звезды и расстояние от нее до планеты (последняя определяется другим методом обнаружения, лучевая скорость ниже в этом списке), и мы наблюдаем, что планета блокирует определенный процент света звезды, мы можем рассчитать радиус планеты, основываясь исключительно на этих значениях.
Однако у транзитного метода есть свои недостатки. Планета должна быть выстроена правильно, чтобы проходить между нами и ее звездой, и чем дальше она вращается, тем ниже вероятность такого выравнивания. Расчеты показывают, что для планеты размером с Землю, вращающейся вокруг своей звезды на одном и том же расстоянии, которое мы вращаем вокруг нашей (около 93 миллионов миль), есть только 0, 47-процентная вероятность того, что она будет правильно выровнена, чтобы вызвать какое-либо затемнение.
Этот метод также может привести к большому количеству ложных срабатываний - эпизодов затемнения, которые мы идентифицируем как транзитные планеты, но в конечном итоге вызваны чем-то другим. Одно исследование показало, что целых 35 процентов больших, близко вращающихся планет, идентифицированных в данных Кеплера, могут фактически отсутствовать, и затемнение, приписываемое пыли или другим веществам, расположенным между нами и звездой. В большинстве случаев астрономы пытаются подтвердить планеты, найденные с помощью этого метода, другими методами из этого списка.
Орбитальная Яркость
В некоторых случаях планета, вращающаяся вокруг своей звезды, заставляет количество света, достигающего Земли, расти, а не падать. Как правило, это случаи, когда планета вращается очень близко, так что она нагревается до такой степени, что испускает обнаруживаемые количества теплового излучения.
Хотя мы не можем отличить это излучение от излучения самой звезды, планета, которая вращается в правильном положении, будет выставлена нам на регулярной последовательности стадий (аналогично фазам луны), поэтому регулярная, периодическая увеличение количества света, которое космические телескопы получают от этих звезд, можно использовать для определения присутствия планеты.
Подобно методу транзита, с помощью этой техники легче обнаружить большие планеты, вращающиеся вокруг их звезд. Хотя только несколько планет были обнаружены с использованием только этого метода, на данный момент он может оказаться самым продуктивным методом в долгосрочной перспективе, поскольку он не требует, чтобы экзопланета проходила непосредственно между нами и звездой, чтобы мы могли обнаружить это, открывая гораздо более широкий спектр возможных открытий.
Радиальная Скорость
В начальной школе нас учат, что солнечная система - это неподвижная звезда, окруженная медленно вращающимися планетами, астероидами и другим мусором. Правда, правда, немного сложнее: из-за гравитационного притяжения планет, звезда также слегка отклоняется от центра тяжести системы:
(Изображение через Wikimedia Commons / Zhatt) Это явление происходит примерно так: большая планета, если у нее достаточно массы, может притянуть звезду к себе, заставляя звезду двигаться из точного центра далекой солнечной системы. Таким образом, периодические, предсказуемые, но все же незначительные сдвиги в положении звезды могут быть использованы для определения наличия большой планеты вблизи этой звезды.
Астрономы воспользовались этим явлением, чтобы обнаружить сотни экзопланет. До недавнего времени, когда он был превзойден транзитом, этот метод (так называемая радиальная скорость) был ответственен за большинство обнаруженных экзопланет.
Может показаться, что трудно измерить легкие движения звезд за сотни световых лет от нас, но оказывается, что астрономы могут определять, когда звезда ускоряется к Земле (или от Земли) со скоростью всего один метр в секунду из-за эффекта Доплера.
Эффект - явление волн (будь то звук, видимый свет или другие формы электромагнитной энергии), которые кажутся немного более высокими по частоте, когда излучающий их объект движется к наблюдателю, и немного ниже, когда они удаляются. Вы испытали это на собственном опыте, если вы когда-нибудь слышали, как сильный звук приближающейся сирены скорой помощи заменяется чуть более низким тоном, когда он уезжает.
Замените машину скорой помощи на далекую звезду, а звук сирены - на свет, который она излучает, и у вас есть идея. Используя спектрометры, которые измеряют конкретные частоты света, испускаемого звездой, астрономы могут искать видимые сдвиги, указывая, что звезда движется немного ближе к нам или слегка отклоняется.
Степень движения может даже отражать массу планеты. В сочетании с радиусом планеты (рассчитанным с помощью метода транзита) это может позволить ученым определить плотность планеты и, следовательно, ее состав (например, газовый гигант или каменистая планета).
Этот метод также подвержен ограничениям: гораздо легче найти большую планету, вращающуюся вокруг меньшей звезды, потому что такая планета оказывает большее влияние на движение звезды. Относительно маленькие планеты размером с Землю, вероятно, будет трудно обнаружить, особенно на дальних расстояниях.
Прямая визуализация
В нескольких редких случаях астрономы смогли найти экзопланеты самым простым способом: увидев их.
Три массивные планеты - вероятно, больше Юпитера - были непосредственно сфотографированы на орбите звезды HR8799 в 2010 году. (Сама звезда заблокирована с помощью коронографа. (Изображение через NASA / JPL-Caltech / Palomar Observatory) Эти случаи настолько редки по нескольким причинам. Чтобы отличить планету от ее звезды, она должна быть относительно далеко от нее (легко представить, что, например, Меркурий будет неотличим от Солнца издалека). Но если планета находится слишком далеко от своей звезды, она не будет отражать достаточно света звезды, чтобы быть видимой вообще.
Экзопланеты, которые наиболее надежно видны с помощью телескопов, большие (например, Юпитер) и очень горячие, так что они испускают свое собственное инфракрасное излучение, которое можно обнаружить с помощью телескопов и использовать для различения их от звезд. Планеты, которые вращаются вокруг коричневых карликов (объекты, которые технически не классифицируются как звезды, потому что они недостаточно горячие или массивные, чтобы вызывать реакции синтеза и, следовательно, испускать мало света), также могут быть обнаружены легче.
Прямое изображение также использовалось для обнаружения нескольких особенно массивных планет-изгоев - тех, которые свободно плавают в пространстве, а не вращаются вокруг звезды.
Гравитационное линзирование
Все предыдущие методы в этом списке имеют некоторый смысл для не-ученого на некотором интуитивном уровне. Гравитационное линзирование, используемое для обнаружения нескольких экзопланет, требует более абстрактной мысли.
Представьте себе одну звезду очень далеко, а другую - на полпути между ней и Землей. В редкие моменты две звезды могут почти выровняться, почти перекрывая друг друга в ночном небе. Когда это происходит, сила притяжения близкой звезды действует как линза, усиливая входящий свет от далекой звезды, когда он проходит рядом с ней, чтобы достичь нас.
Имитация гравитационного линзирования, показывающая, что свет, исходящий из далекой галактики, кратковременно увеличивается черной дырой в середине земли. (Изображение с помощью Urbane Legend) Если звезда с планетой на ближней орбите служит гравитационной линзой, гравитационное поле этой планеты может добавить небольшой, но заметный вклад в событие увеличения. Таким образом, в некоторых редких случаях астрономы смогли сделать вывод о наличии далеких планет по тому, как они увеличивают свет еще более далеких звезд.
График обнаружений экзопланет по годам, метод обнаружения представлен цветом. Зеленый = транзит, синий = радиальная скорость, красный = прямое изображение, оранжевый = гравитационное линзирование. (Изображение через Wikimedia Commons / Aldaron)
