МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИБЕЛАРУСЬУчреждение образования
«БРЕСТСКИЙГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ А. С. ПУШКИНА»
Физический факультет
Кафедра теоретической физики иастрономии
Курсовая работа
по специализации «Теоретическаяфизика»
Экзопланеты: история открытия исовременные достижения
/>
Брест 2010
Содержание
Введение
Экзопланеты
История открытия экзопланет
Современные достижения в открытииэкзопланет
Заключение
Литература
Введение
Вселенная – это не толькозвезды и планеты. Это значительно больше: и колыбель разумной жизни, и Мировойразум, и вообще все.
Мы не только капля вокеане, который называется Вселенной. Но эта капля не затерялась во вселенскомокеане, она связана множеством нитей абсолютно со всем во Вселенной, эта каплявлияет на все, что происходит во Вселенной.
Земная цивилизация неединственная во Вселенной. Их бесконечное множество. Они находятся на разныхуровнях развития. Они опередили нас в развитии, другие отстают. Но у всех у насодин Творец – Мировой разум.
Законы развития Вселенной(в том числе и Земли) определены. Других законов мы придумать не можем. Но мыможем и должны, если хотим нормально жить, строить свою жизнь (включаяэкономику, промышленность) в соответствии с этими законами. А для этого надо ихзнать.
Исследование Вселеннойбез сомнения станет одной из наиболее захватывающих страниц научных исканий 21века.
Экзопланеты
Если древние считалиЗемлю центром Вселенной, то сегодня космологи вопрос об уникальности планетыЗемля предлагают разделить на несколько: имеются ли планеты вне Солнечнойсистемы?; существуют ли планетные системы, аналогичные солнечной?; существуютли «землеподобные» планеты?
Иные планеты, непринадлежащие Солнечной системе, в литературе окрестили экзопланетами. Греческаяприставка «экзо» означает «вне», «снаружи». Есть и альтернативное название такихпланет – внесолнечная планета (extra solar planet).
Планеты Солнечной системыобразовались из плоского газово-пылевого облака, окружавшего светило. Посовременным оценкам понадобилось около 60 мил. Лет аккумуляции вещества,пришедшего в конечном счете к формированию планет. Выделяют две основные группыпланет, которые вращаются вокруг Солнца примерно в одной плоскости. К первойгруппе со средней плотностью образующего их вещества (около 5 г/см3)относятся Меркурий, Венера, Земля и Марс. Вторая группа состоит изпланет-гигантов: Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна, усредненная плотностькоторых составляет примерно 1,4 г/см3. Плутон не относится ни кодной из указанных групп и составляет впечатление чужеродного космическоготела, «прихваченного» по небесной дороге гравитационным полем Солнца врезультате разного рода космических коллизий.
Важным свидетельствомединого характера образования большинства планет Солнечной системы являются иходнонаправленные движения практически в одной плоскости вокруг Солнца, медленновращающегося в том же направлении.
В ночь на 14 ноября 2003года граница планет Солнечной системы была как бы перенесена и ее можно теперьпроводить в трое дальше от Солнца по сравнению с той, что означалась орбитойПлутона. Астрономы Паломарской обсерватории (CША, штат Калифорния) обнаружили небесное тело, котороеполучило название Седна – честь эскимоской богини моря. Диаметр Седны менее1700 км и вместе с Марсом – они самые красноокрашенные планеты в Солнечнойсистеме. Температура на её поверхности не превышает -240°С. Причина такой«холодины» проста – орбита Седны проходит более чем в 13 млрд. км от Солнца. КСолнцу она приближается раз в 10 тыс. 500 лет, да и то ненадолго. К тому жеСедна в этой точке (перигелии) находится примерно в 80 а.е. от Солнца, т.е. в80 раз дальше, чем Земля от Солнца.
Открытие Седны,рассматриваемой как планетоид, не столь исключительное событие. Планетоидыоткрывают по несколько раз в год. Однако таких крупных тел в Солнечной системене обнаруживали с 1930 года, когда стало известно о существовании Плутона. Ипоскольку Седна обращается вокруг общего светила, её можно рассматривать вкачестве равноправного (хотя и неприметного) родственника планет Солнечнойсистемы.
Полный оборот вокругсвоей оси Седна делает за 20-30 земных суток. Только Меркурий и Венераоборачиваются медленнее (они замедляются в своем вращении гравитационной силойблизкого к ним Солнца). В предстоящие 72 года Седна будет приближаться к Солнцуи соответственно, светится все ярче. А затем по своей эллиптической орбитестанет удаляться на периферию Солнечной системы.
В это же время официальнорасширение пояса планет Солнечной системы ещё не состоялось. Международныйастрономический союз (LAU)сформировал рабочую группу, чтобы рассмотреть определение минимального размерадля планеты. К тому же две группы астрономов(испанская и американская) объявилиоб открытии нового объекта, который может оказаться даже крупнее Плутона.Большая часть его орбиты лежит намного дальше Плутона, и он не приближается кСолнцу ближе, чем Нептун.
В целом такое развитиесобытий заставляет задуматься над тем, что же такое Солнечная система? Помимодевяти планет и их спутников (плюс мириады астероидов и комет) в настоящеевремя как часть Солнечной системы рассматриваются также пояс Койпера и облакоОорта.
Пояс Койпера – обширнаяобласть небесной сферы, лежащая за орбитой Нептуна, примерно от 30 до 100 а.е.от Солнца, населенная объектами типа астероидов и ядер комет. Американскийастроном Джерард Койпер (1905 — 1973) в 1951 году высказал предположение осуществовании такого явления. Но только в 1922 году был открыт первый объектпояса Койпера диаметром около 280 км. К настоящему времени число открытыхтранснептуновых объектов приближается к тысяче. К числу крупных объектов поясаКойпера относятся также такие небесные тела как Квавар, Иксион, Варуна, Хаос иСедна, вызвавшие в последние десятилетия оживленные дискуссии астрономов. Пооценкам учёных, возможно существование, по крайней мере 35 тысяч объектов поясаКойпера диаметром более 100км. Все эти объекты – не просто далекие диковинки.Они, согласно современной точке зрения, являются не «испорченными» остаткамигазопылевой туманности, из которой сформировалась вся Солнечная система. Какожидают исследователи, изучение их химического состава и распределения впространстве дает важные сведения для поиска модели ранних этапов эволюцииСолнечной системы.
Облако Оорта (по имениголландского астронома Яна Оорта, который в 1950 году предположил, чтоСолнечная система окружена гигантским облаком кометных тел, находящихся нарасстоянии от 20000 до 200000 а.е. от Земли) – скопление сферической формыпретопланетных тел, остатков эпохи образования Солнца и внутренних телСолнечной системы. (Ян Оорт первым доказал и вращение Млечного Пути как целого.)Небольшие тела, составляющие это облако (возможно, что их там более триллиона собщей массой, примерно равной массе Юпитера), медленно, с периодом в миллионылет, вращаются вокруг Солнца. Именно оттуда, из облака Оорта, вторгаются вСолнечную систему некоторые из составляющих их тел – скопление каменных иледяных обломков. По мере приближения к Солнцу они начинают разогреваться,результатом чего является образование газовой струи. Такие объекты называютсядолгопериодическими кометами. В настоящее время облако Оорта позиционирует нарасстоянии от 20 до 50 тысяч астрономических единиц от Солнца, т.е. на дальнихграницах Солнечной системы.
Недавно на международнойастрономической конференции в итальянском городе Падуе известный американскийучёный Джон Матезе из университета штата Луизиана выдвинул гипотезу,подкрепленную математическими расчётами. По мнению исследователя, внутри облакаОорта скрывается «истинная» десятая планета Солнечной системы, которая 1.5 — 6раз массивнее Юпитера и обращается вокруг Солнца на расстоянии в 25 тысяч а.е.(примерно 0.4 световых года), совершая один оборот за 4 – 5 миллионов лет.
Но, пожалуй, самоесенсационное заключается в том, что согласно данной гипотезе, эта «невидимка»должна обращаться по своей орбите в сторону противоположную движению планетСолнечной системы. Такая орбита неустойчива и никакой объект на ней не смог быоставаться вблизи Солнца со времен возникновения Солнечной системы. Но этозначит, что в Солнечной системе такая планета появилась намного позже и представляласобой блуждавшую в космосе «беспризорную» планету, которая по воле случая была«захвачена» Солнцем.
Одной из важных задачастрономии является достижение понимания процесса образования планетных системвокруг той или иной звезды. Уже очевидно, что образование планет – не стольредкое явление. На повестке – установление размеров «новых» планет, определениеих орбит и т.п. Это необходимо для уяснения процесса зарождения планет изпылевых дисков, окружающих звезды. Именно они и поставляют материал для формированияпланет. Но распознать весьма слабо светящиеся диски, состоящие из мелких,разряженных пылевых частиц, пока удалось лишь в нескольких случаях.
По современнымпредставлениям о ходе образования планет, их ядро формируется из твердыхпланетезималей (слипшихся комков полевых частиц). Когда масса ядра достигаетопределённого критического значения, масса планеты начинает быстро возрастатькак результат аккреции межзвездного газа, происходящего с высокой скоростью.Этому процессу содействует и миграция планеты из внешних областейпротопланетного диска к его центру.
Планеты земного типаобладают значительно меньшей массой, чем планеты-гиганты, у которых основнаямасса приходится на газовую составляющую.
В самом началеформирования планеты были нагретыми телами. Недра планет, в том числе и Земли,и сейчас имеют температуру в тысяча градусов по Цельсию. При остыванииповерхности и образуется рельеф поверхности, подобный тому, который мы видим наЗемле и наблюдаем на землеподобных планетах. А «наш» Юпитер совсем лишь немногопо массе не «дотянул» до звезды, чтобы в его недрах начались термоядерныереакции, которые и «сделали» бы его звездой.
Возможность существованияэкзопланет осуждается достаточно давно. В 1916 году американский астрономЭдуард Барнард предположил, что он открыл планету, влияющую на движение звезды,названной позже в честь первооткрывателя звездой Барнарда. Впоследствиивыяснилось, что эта звезда находится на втором месте по удалённости от Солнцапосле системы Альфа Кентавра, но планеты у нее все же не оказалось.
Первым подтвердившимсяоткрытием экзопланеты стало обнаружение ее у радиопульсара, находящегося нарасстоянии в 1000 световых лет от Солнца. Оно было сделано в 1991 году польскимастрономом Алексом Вольцжаном. К 1993 году выявилось присутствие рядом с этимпульсаром трех планет с массами 0.2, 4.3 и 3.6 массы Земли. В 1996 году былоустановлено, что имеется и четвертая планета с массой Сатурна. И если у первыхтрех период обращения вокруг нейтронной звезды составил, соответственно, 25,67, и 98 суток, то у четвертой – около 170 лет. Таким образом, была сразу жеобнаружена целая планетная система.
Обнаруженная планетнаясистема считается весьма странной. Нейтронная звезда возникает в результатевзрыва сверхновой. В момент взрыва звезда теряет большую часть своей массы ивозникший пульсар не может удержать рядом с собой планеты, которыми моглаобладать массивная звезда. Поэтому маломассивные спутники, обнаруженные рядом спульсаром RSR1257+12, сформировались после взрывасверхновой. Но из чего и как – неясно. Подобного рода планеты по причиненеясного происхождения считают каким-то неполноценным. К тому же лишь еще уодного далекого пульсара, хотя их открыто уже более 1000, обнаружилось наличиепланеты. Последняя оказалась гигантом, в несколько раз массивнее Юпитера.
Метод обнаружения планетимеет под собой следующую физическую основу. Вращающаяся нейтронная звезда –пульсар излучает строго периодические электромагнитные импульсы. Пульсары –чрезвычайно стабильные источники радиосигналов. Поэтому радиоастрономыопределяют скорость их движения с точностью до 1 см в секунду.
Гравитационноевоздействие планеты приводит к «покачиванию» пульсара и к периодическомупрерыванию посылаемого ею радиоимпульса. Открытие первой «настоящей»экзопланеты датируется 1995 годом. В основе открытия – математическая обработкакомпьютером полученных с помощью телескопа данных наблюдения за движением исветимостью звезды. Оно было сделано астрономами Женевской обсерватории,которые измеряли скорости движения 142 звезд, похожих по своим характеристикамна Солнце и находящихся в «близи» Земли. В результате выяснилось: звезда 51 всозвездии Пегаса, удаленная от Солнца на 50 световых лет, испытываетпериодические «покачивания», обусловленные наличием у нее планеты-гиганта.Расстояние между планетой и звездой в 20 раз меньше, чем от Земли до Солнца.Планета мчится с бешенной скоростью, обегая звезду за 4 дня. Из-за близости кзвезде поверхность планеты должна быть нагрета до 700 градусов по Цельсию, таксказать, «Горячий Юпитер»! Обнаружились и другие системы, в которыхпланеты-гиганты образовались очень близко к своей звезде и подобныпервооткрывательнице этого списка. Для их обозначения в обиход вошел термин«горячий Юпитер». К 2006 году обнаружено уже свыше 150 таких «горячихЮпитеров».
Следует в тоже время ещераз пояснить смысл термина «поиска планет». Звезды наблюдаются с помощьютелескопов, соединенных с компьютером, который управляет процессом согласносозданной для этой цели программе. Регистрируется электромагнитное излучение,испускаемое каждой из наблюдаемых звезд, которое затем анализируется дляустановления наличия отклонений в их спектре. Например, о присутствии планеты,если наблюдение ведется в видимой части спектра, т.е. фиксируется световойпоток, может сигнализировать внезапное увеличение яркости изображения звезды.Причина такого явления может быть связана с гравитационным воздействием планетына лучи света, исходящие от «Солнца». Когда она проходит между своим «солнцем»и направлением, в котором находится Земля, тяготение планеты, подобно линзе,собирает его лучи.
Разумеется, возможны идругие объяснения таких кратковременных вспышек звезд. Поэтому так много было«открытий», которые истинными открытиями так и не стали. И требуютсямногократные проверки, чтобы исключить всякие сомнения.
Особые старанияастрономов направлены на поиск планет, подобных Земле. В августе 2004 годаудача улыбнулась группе португальских ученых, работающих в обсерватории ЛаСилья в Чили. В созвездии Жертвенника была открыта планета, которая, по мнениюисследователей, не является газовым гигантом и имеет твердую поверхность.Планета делает оборот вокруг своего светила за 9.55 суток и находится от негона расстоянии 13 миллионов километров, т.е. вдесятеро меньшим, чем Земля отСолнца. Масса ее оценивается приблизительно в 14 масс Земли, по размеру онасоответствует примерно Урану. Планета официально пока безымянная, но ее ужеокрестили Суперземлей. Из-за того, что она расположена близко к звезде,температура на поверхности оценивается в 650 градусов по Цельсию, что слишком многодля возможности возникновения любой из известных жизненных форм. Ее скорееможно рассматривать как гигантский аналог Меркурия. На научном форуме в июле2004 года в Стокгольме новое открытие было названо важнейшим после обнаруженияв 1995 года первой «настоящей» экзопланеты. В целом обнаружение экзопланетстало одним из крупнейших достижений 20-го столетия. Стало очевидным: Солнечнаясистема не уникальна. Учитывая, что в нашей Галактике порядка 150 миллиардовзвезд, вполне возможно, что у половины из них могут быть планеты. Специалисты втоже время полагают, что несмотря на интенсивное развитие технологий поискаэкзопланет, может пройти не менее десяти лет до того, как ученые смогутобнаружить планеты, подобные Земле.
Таким образом,формирование планет рядом со звездами – закономерный этап развития звездныхсистем. В то же время Солнечная система во многом нетипична. Земля находится в«зоне жизни», т.е. в области умеренных температур на поверхности планеты иобладает биосферой. Такое особое положение Земли связано с тем, чтопланеты-гиганты Солнечной системы, которые движутся вне «зоны жизни», позволяютсуществовать длительное время в такой зоне планетам земного типа.
В 2003 году с помощьюорбитального телескопа «Хаббл» в созвездии Скорпиона была обнаружена планета,которую можно считать самой древней из известных на сегодняшний день в МлечномПути. Ее возраст оценивается в 13 миллиардов лет, т.е. она почти втрое старшеЗемли, которая сформировалась около 4.5 млрд. лет назад. Планету назвали«Мафусаилом» — в честь библейского патриарха, прожившего 969 лет. Это такой женевероятный для человека возраст, как и возраст 13 млрд. лет для планеты.Большая часть известных экзопланет имеет приблизительно тот же возраст, что и Земля.С точки зрения современной теории развития Вселенной, существует временнойпорог образования планет, содержащих тяжелые элементы. В первом поколении звездтяжелых элементов не было, только водород и немного гелия. По мере того, какзвезды, израсходовав свое газовое «топливо», взрывались, их остатки разлеталисьво всех направлениях, попадая на поверхности соседних звезд. В результатереакций термоядерного синтеза образовывались новые, тоже тяжелые, элементы.«Мафусаил», предположительно, из легких элементов, так как его формированиепроизошло в те времена, когда во Вселенной не существовало углерода и водорода.Планета обращается вокруг красной звездной системы, состоящей из двух звезд вшаровом скоплении М4, которое находится на расстоянии в 5600 световых лет отЗемли. Ее масса в 2.5 раза больше массы Юпитера.
Первая фотографияэкзопланеты получена в апреле 2004 года на Очень Большом Телескопе (ESO, Чили). В сентябре того же года онабыла сфотографирована и в инфракрасных лучах. Планета обращается вокругмолодого яркого коричневого карлика, который находится на расстоянии от нас 225световых лет в созвездии Гидры. Планета в пять раз массивнее Юпитера, еедиаметр в полтора больше, чем у Юпитера. Радиус планеты примерно на третьпревышает радиус орбиты Плутона.
В созвездии Пегаса усолнцеподобной звезды HD209458,которая находится от Земли на расстоянии 150 световых лет, имеется экзопланета,получившая имя Осирис в честь египетского бога плодородия. Планета массой 0.69масс Юпитера и размером в 1.3-1.5 раза больше Юпитера, обращается на оченьблизкой орбите к звезде на расстоянии 7 млн. км. от нее. Поверхность планетынагрета звездой до 1000 градусов Цельсия. С помощью телескопа «Хаббл» удалосьобнаружить в верхних слоях атмосферы планеты свободные атомы углерода икислорода.
В силу высокойтемпературы поверхности планета подобна огромной комете, так как имеет огромныйшлейф испаряющихся газов. Как следствие, она постоянно теряет вещество, и вконце концов от нее может остаться лишь небольшое твердое ядро.
Исследование таких«горячих Юпитеров» имеет непосредственное отношение к проверке одной из моделейвозникновения малых твердых планет, подобных Земле. Возможно, что наша планетав начальный момент формирования Солнечной системы также была подобием газовогогиганта с размерами даже больше Юпитера, но с меньшей плотностью. «Солнечныйветер», возникший в момент, когда в ходе эволюции в ядре молодого Солнцаначались интенсивные ядерные реакции, постепенно срывал внешнюю газовуюоболочку с Земли и ближайших к ней планет. Земля и планеты земной группы(Меркурий, Марс, Венера) сформировались затем из остатков твердых ядер. Частьих вещества была поглощена нынешними планетами-гигантами, а из оставшегосясформировались многочисленные астероиды и кометы.
В первой трети 20-го векагосподствовала космологическая гипотеза Джинса. Согласно ей, планетная системаСолнца образовалась в результате космической катастрофы, почти столкновениядвух звезд. В силу крайней маловероятности такого события можно было полагать,что возможность существования в Галактике еще одной «планетной семьи»практически отсутствует. Теперь мы знаем, что планетных систем в Галактике –огромное множество. И Солнечная система – скорее правило, чем исключение в мирезвезд. Стало также вполне ясно, что требуется от звезды для поддержания жизни вслучае возникновения ее на обращающихся вокруг нее планетах.
На роль «сестры» Землипретендует планета, об обнаружении которой летом 2005 года сообщила командаастрономов из университета Санта-Круз в Калифорнии. Она вращается вокруг звездыGliese 876 в созвездии Водолея ирасположена от нас на расстоянии 15 световых лет. Планета находится к своемусолнцу в 50 раз ближе, чем Земля к своему. Поэтому температура на ееповерхности составляет 200-400 градусов Цельсия, что не оставляет шансов дляналичия воды в жидком состоянии. Но главное заключается в том, что хотя планетаменьше Земли почти в два раза, ее масса в 5.9-7.5 раз превышает массу Земли.Прямых доказательств того, что планета твердая по составу, скалистая, пока нет.Но ее масса говорит в пользу гипотезы, что речь идет не о газовом гиганте. Она– самая маленькая из планет, обнаруженных вне Солнечной системы. В то же времяпланета такой массы может обладать достаточным притяжением для удержанияатмосферы. Американские астрономы подчеркнули, что рассматривают это открытиекак подтверждение теории существования небольших планет, пригодных для жизни.Интересно также, что обнаруженная планета – третья из семьи планет звезды Gliese 876. Первая – газовый гигант,примерно в два раза массивнее Юпитера, обнаружена была в 1998 году, вторая,тоже газовый гигант, но с массой в два раза меньшей, чем у Юпитера, в 2001году.
Обнаружение коричневыхкарликов позволило пролить свет на механизмы образования звезд и планет. Звездысудя по всему, образуются посредством гравитационного коллапса межзвездногомолекулярного газа, в то время как «создание» планет начинается через скоплениепылевых частиц микронных размеров. Это различие в происхождении приводит вконечном счете к тому, что если планеты являются спутниками звезд, токоричневые карлики, находясь в определенной звездной системе, ведут как бынезависимый образ жизни.
Согласно ряду оценок, вГалактике имеется около восьми миллиардов подходящих звезд, большинство изкоторых могут иметь планетные системы. Но подходящей для возникновения жизниможет быть далеко не каждая планета. Необходимо выполнение трех основныхусловий для возникновения аналогов земной формы жизни: достаточно постояннаятемпература, наличие растворителя наподобие воды, атомы типа атомов углерода,которые способны образовывать сложные цепочки молекул. Вполне возможнопредставить и другие формы жизни на основе аммиака в океанах или на основекремния. В этой связи стоить напомнить, что из девяти планет Солнечной системытолько одна является примером «живой» планеты.
По мнению ученых,находись Земля всего на 5% ближе к Солнцу, то задолго до того момента, когдамогла возникнуть жизнь, она подверглась бы в возрасте 1 миллиарда летвоздействию парникового эффекта, ставшего барьером для развития земных формжизни. А если бы Земля находилась чуть дальше от Солнца, то как только ееатмосфера обогатилась бы кислородом, произошло бы быстрое оледенение, т.е.исчезла бы вода, наличие которой обязательно для развития жизни. Напомним также,что на Венере слишком горячо, а на Марсе – слишком холодно для возникновенияжизни.
Космический телескоп«Хаббл» установил, что спектры излучения трех наиболее удачных от нас квазаровпоказывают явное наличие большого количества железа. Для телескопов наземногобазирования установление такого факта невозможно, так как инфракрасный спектр,характерный для излучения атомами железа, лежит в области длины световой волныпорядка 1.6-1.7 микрон. Но именно этот диапазон электромагнитного излученияполностью поглощается земной атмосферой. Астрофизикам известно, что железопоявляется в результате специфических звездных процессов, заканчивающихсявзрывом сверхновых, которые являются поставщиками тяжелых элементов. Такойпериод звездной эволюции оценивается в 500-800 млн. лет. Квазары, в спектрахкоторых обнаружено излучение атомов железа, имеют возраст ~ 900 млн. лет. Этотрезультат означает, что основные компоненты для образования планет и возможнойжизни на них присутствовали очень рано в истории Вселенной – намного раньше,чем возникла Земля.
Но всего лишь пятьпроцентов звезд, подобных Солнцу, как показывают подсчеты, могут иметь планеты,аналогичные Земле.
В сентябре 2005 года былиобнародованы результаты наблюдений группы американских астрономов, возглавляемойучеными из Рочестерского университета, за двумя очень молодыми звездами. Однаиз них, именуемая GM Aurigal, находится от нас на расстоянии 420световых лет в созвездии Тельца. Другая звезда DM Tauri, находится примерно в том же районе. Обе они очень похожина наше Солнце, только отроду им пока всего лишь один миллион лет. Астрономыустановили наличие «щелей» в газопылевых протопланетных дисках у этих звезд. Ихналичие свидетельствует о воздействии гигантских планет-эмбрионов,«прорезавших» себе такие «щели».
Есть все основанияполагать, что у подобных звезд наблюдается чрезвычайно раннее формированиепланет – газовых гигантов. Данные исследования служат подтверждением теории отом, что гигантские планеты, подобные Юпитеру, формируются намного быстрее, чемпредполагалось.
По существу, как отмечаютисследователи, мы как бы наблюдаем формирование Солнечной системы в далекомпрошлом, а звезды GM Aurigal – это, фактически, более молодаяверсия нашего Солнца. И промежутки, «щели» в ее протопланетном диске, по размерамсоответствуют тому пространству, которое занимают гигантские планеты Солнечнойсистемы. К сожалению, присутствие зародышей планет земной группы выявить покане удалось.
Историяоткрытия экзопланет
Астрометрический поиск. Первые попытки обнаружить экзопланеты связаны с наблюдениямиза положением близких звезд. В 1916 американский астроном Эдуард Барнард(1857–1923) обнаружил, что слабенькая красная звездочка в созвездии Змееносцабыстро перемещается по небу относительно других звезд – на 10 угл. секунд вгод. Астрономы назвали ее Летящей звездой Барнарда. Хотя все звезды хаотическиперемещаются в пространстве со скоростями 20–50 км/с, при наблюдении с большогорасстояния эти перемещения остаются практически незаметными. Звезда Барнарда –весьма заурядное светило, поэтому возникло подозрение, что причиной еенаблюдаемого «полета» служит не особенно большая скорость, а просто необычнаяблизость к нам. Действительно, звезда Барнарда оказалась на втором месте отСолнца после системы Альфа Кентавра.
Масса звезды Барнардапочти в 7 раз меньше массы Солнца, поэтому влияние на нее соседей-планет (еслиони есть) должно быть весьма заметным. Более полувека, начиная с 1938, изучалдвижение этой звезды американский астроном Питер ван де Камп (1901–1995). Онизмерил ее положение на тысячах фотопластинок и заявил, что у звездыобнаруживается волнообразная траектория с амплитудой покачиваний около 0,02угл. сек., следовательно вокруг нее обращается невидимый спутник. Из расчетовП. ван де Кампа следовало, что масса спутника чуть больше массы Юпитера, арадиус его орбиты 4,4 а.е. В начале 1960-х годов это сообщение облетело весьмир. Но не все астрономы согласились с выводами П. ван де Кампа. Продолжаянаблюдения и увеличивая точность измерений, Дж.Гейтвуд (G.Gatewood) и егоколлеги к 1973 выяснили, что звезда Барнарда движется ровно, без колебаний, азначит массивных планет в качестве спутников не имеет. Однако эти же работыпринесли и новую находку: были замечены зигзаги в движении пятой от Солнцазвезды Лаланд-21185. Сейчас получены веские доводы, что вокруг этой звездыобращаются две планеты: одна с периодом 30 лет (масса 1,6 Мю, радиус орбиты 10а.е.) и вторая с периодом 6 лет (0,9 Мю, 2,5 а.е.). Для подтверждения этогооткрытия ведутся наблюдения.
Планеты у нейтронныхзвезд. В конце 1980-х годов несколько группастрономов в разных странах создали высокоточные оптические спектрометры иначали систематические измерения скоростей ближайших к Солнцу звезд. Эта работаспециально была нацелена на поиск экзопланет и через несколько летдействительно увенчалась успехом. Но первыми открыли экзопланетурадиоастрономы, причем не одну, а сразу целую планетную систему. Произошло этов ходе исследования радиопульсаров – быстро вращающихся нейтронных звезд,излучающих строго периодические радиоимпульсы. Поскольку пульсары – чрезвычайностабильные источники, радиоастрономы могут выявлять их движение со скоростьюпорядка 1 см/с, а значит, обнаруживать рядом с ними планеты с массами в сотнираз меньше, чем у Юпитера. Первое сообщение в журнале «Nature» об открытиипланетной системы вокруг пульсара PSR1829-10 (обозначался также PSR1828-11 иPSR B1828-10, современное обозначение PSR J1830-10) сделала в середине 1991группа радиоастрономов Манчестерского университета (М.Бэйлес, А.Лин и С.Шемар),наблюдающих на радиотелескопе в Джодрелл-Бэнк. Они объявили, что вокругнейтронной звезды, удаленной от Солнца на 3,6 кпк, обращается планета в 10 размассивнее Земли по круговой орбите с периодом 6 месяцев. В 1994 внеопубликованном сообщении авторы уточнили, что планет три: с массами 3, 12 и 8земных и периодами, соответственно, 8, 16 и 33 месяца. Однако до сих пор этооткрытие не подтверждено независимыми исследованиями и поэтому остаетсясомнительным.
Первое подтвердившеесяоткрытие внесолнечной планеты сделал польский радиоастроном Алекс Вольцжан(A.Wolszczan), который с помощью 305-метровой антенны в Аресибо изучалрадиопульсар PSR 1257+12, удаленный примерно на 1000 св. лет от Солнца ипосылающий импульсы через каждые 6,2 мс. В 1991 ученый заметил периодическоеизменение частоты прихода импульсов. Его американский коллега Дейл Фрейлподтвердил это открытие наблюдениями на другом радиотелескопе. К 1993 выявилосьприсутствие рядом с пульсаром PSR 1257+12 трех планет с массами 0,2, 4,3 и 3,6массы Земли, обращающихся с периодами 25, 67 и 98 сут. В 1996 появилосьсообщение о присутствии в этой системе четвертой планеты с массой Сатурна ипериодом около 170 лет.
Та легкость, с которойпланеты были найдены у первого пульсара, вдохновила радиоастрономов на анализсигналов и других пульсаров (их сейчас открыто более 1000). Но поиск оказалсяпочти безрезультатным: лишь еще у одного далекого пульсара (PSR 1620-26)обнаружилась планета-гигант в несколько раз массивнее Юпитера. До сих порпланетная система пульсара PSR 1257+12 демонстрирует нам единственный примерпланет типа Земли за пределом Солнечной системы.
Считается весьмастранным, что вообще рядом с нейтронной звездой обнаружились маломассивныеспутники. Рождение нейтронной звезды должно сопровождаться взрывом сверхновой.В момент взрыва звезда сбрасывает оболочку, с которой теряет большую частьсвоей массы. Поэтому ее остаток – нейтронная звезда-пульсар – не может своимпритяжением удержать планеты, которые до взрыва быстро обращались вокругмассивной звезды. Возможно, что обнаруженные у пульсара планеты сформировалисьуже после взрыва сверхновой, но из чего и как – не ясно. Пока планетные системынейтронных звезд по причине их непонятного происхождения считают чем-тонеполноценным.
Успех Доплер-эффекта:планеты у нормальных звезд. Первую «настоящую» экзопланету обнаружили в 1995 астрономы Женевскойобсерватории Мишель Майор (M.Mayor) и Дидье Квелоц (D.Queloz), построившиеоптический спектрометр, определяющий доплеровское смещение линий с точностью до13 м/с. Любопытно, что американские астрономы под руководством Джеффри Марси(G.Marcy) создали подобный прибор раньше и в 1987 приступили к систематическомуизмерению скоростей нескольких сотен звезд; но им не повезло сделать открытиепервыми. В 1994 Майор и Квелоц приступили к измерению скоростей 142 звезд изчисла ближайших к нам и по своим характеристикам похожих на Солнце. Довольнобыстро они обнаружили «покачивания» звезды 51 в созвездии Пегаса, удаленной отСолнца на 50 св. лет. Колебания этой звезды происходят с периодом 4,23 сут и,как заключили астрономы, вызваны влиянием планеты с массой 0,47 Мю (для нее ужепредложено имя – Эпикур).
Это удивительноесоседство озадачило ученых: совсем рядом со звездой как две капли воды похожейна Солнце бешено мчится планета-гигант, обегая ее всего за четыре дня;расстояние между ними в 20 раз меньше, чем от Земли до Солнца. Астрономы несразу поверили в это открытие. Ведь обнаруженная планета-гигант из-за ееблизости к звезде должна быть нагрета до 1000 К. Горячий юпитер? Такогосочетания астрономы не ожидали. Быть может, за колебания звезды была принятапульсация ее атмосферы? Однако дальнейшие наблюдения подтвердили открытиепланеты у звезды 51 Пегаса. Затем обнаружились и другие системы, в которыхпланета-гигант обращается очень близко к своей звезде; термин «горячий юпитер»прочно вошел в обиход.
Поиском экзопланет сейчасзанято более 150 астрономов на различных обсерваториях мира, включая самуюпродуктивную научную группу Дж.Марси и группу М.Майора. Для выработкитерминологии и координации усилий в этой области Международный астрономическийсоюз (МАС) создал Рабочую группу по внесолнечным планетам, первым руководителемкоторой избран американский астроном-теоретик Алан Бос (A.Boss). Предложенавременная терминология, согласно которой «планетой» следует называть теломассой менее 13 Мю, обращающееся вокруг звезды солнечного типа; такие жеобъекты, но свободно движущиеся в межзвездном пространстве, следует называть«коричневыми субкарликами» (sub-brown dwarfs). Сейчас этот термин употребляетсяв отношении нескольких десятков предельно слабых объектов, найденных в2000–2001 в туманности Ориона и не связанных со звездами. Они излучают восновном в инфракрасном диапазоне и по массе, вероятно, лежат в промежуткемежду коричневыми карликами и планетами-гигантами. Ничего определенного о нихпока сказать нельзя.
Свойства обнаруженныхэкзопланет.Несколько столетий астрономы бьются на загадкой происхождения Солнечнойсистемы. Главная проблема в том, что нашу планетную системы до сих пор не с чембыло сравнить. Теперь ситуация изменилась: практически каждый месяц астрономыоткрывают новую экзопланету; пока это планеты-гиганты, но скоро новые приборыпозволят обнаруживать и планеты земного типа. Станет возможной классификация исравнительное изучение планетных систем. Это значительно облегчит отборжизнеспособных гипотез и построение правильной теории формирования и раннейэволюции планетных систем, в том числе – Солнечной системы. На 1 сентября 2001статистика исследований экзопланет такова:
· поиск планетпроизведен приблизительно у 1000 звезд; это почти все звезды в окрестности 30пк от Солнца;
· у 58 звездобнаружены планетные системы, содержащие от 1 до 3 планет, всего обнаружено 68экзопланет;
· минимальная массаэкзопланеты (M sin i), обнаруженной рядом с нормальной звездой, равна 0,15 Мю;
· обнаруженыпланетные системы у двух радиопульсаров, причем в одной из этих систем (PSR1257+12) присутствуют планеты земной массы;
· заподозреныпланеты еще у дюжины звезд;
· орбитальные периодыобнаруженных экзопланет лежат в диапазоне от 3 сут до 7 лет, а большие полуосиорбит – от 0,04 до 3,7 а.е.;
· эксцентриситетыорбит экзопланет лежат в диапазоне от 0,0 до 0,93; при этом орбит с большимэксцентриситетом оказалось довольно много (в отличие от Солнечной системы, гдебольшие планеты движутся по почти круговым орбитам);
· амплитуданаблюдаемых колебаний лучевой скорости звезды под виянием планеты от 10 м/с(инструментальный предел) до 2 км/с;
· ближайшаяэкзопланета обнаружена у звезды Эпсилон Эридана, на расстоянии 10 св. лет отСолнца. Она чуть меньше Юпитера и обращается на расстоянии 3,3 а.е. от звездычуть менее массивной и менее горячей, чем Солнце;
· лишь в одномслучае (звезда HD 209458) Земля оказалась почти в плоскости орбиты экзопланеты(i = 85,2 град.). Поэтому астрономы систематически, дважды в неделю, наблюдаютпрохождения экзопланеты перед звездой, вызывающие неглубокие (1,5%) затмения.Это позволило очень точно установить орбитальные и физические параметры планетыи звезды. В частности, имея массу 0,69 Мю, планета в 1,54 раза больше Юпитерапо размеру. Это не удивительно, если учесть, что она обращается на расстояниивсего 0,045 а.е. от звезды, немного более массивной и яркой, чем наше Солнце. Втаком положении планета должна быть весьма горячей и иметь протяженнуюатмосферу.
В целом обнаружениепервых внесолнечных планетных систем стало одним из крупнейших научныхдостижений 20 столетия. Решена важнейшая проблема – Солнечная система неуникальна; формирование планет рядом со звездами – это закономерный этап ихэволюции. В то же время становится ясно, что Солнечная система нетипична: еепланеты-гиганты, движущиеся по круговым орбитам вне «зоны жизни», позволяютдлительное время существовать в этой зоне планетам земного типа, одна изкоторых – Земля – имеет биосферу. Другие планетные системы редко обладают этимкачеством.
В январе 1998 года началасвою работу группа Англо-Австралийского телескопа. Используя 3,9 метровыйтелескоп в Австралии, астрономы группы исследовали около 200 близких звездсолнечного типа до 8 звездной величины, находящихся на южном небе. Их программарассчитана до 2010 года, и уже принесла значительные результаты: в тесномсотрудничестве с Ликской обсерваторией было открыто несколько десятков планет.Спустя десятилетие после открытия первой внесолнечной планеты у нормальнойзвезды удалось достичь минимального порога масс для планет в 30-40 масс Земли имаксимального периода обращения в 10 лет.
В 2004 году, используяновые спектрографы, удалось повысить точность измерения лучевых скоростей до 1метра в секунду, что позволило сразу открыть совершенно новый класс объектов — так называемые «горячие нептуны» с массами порядка 15 масс Земли. Вавгусте 2004 года свои открытия одновременно опубликовали и европейские, иамериканские астрономы. Европейские исследователи использовали спектрографHARPS, установленный на 3,6 метровом телескопе в Ла-Силла. Американцыиспользовали телескоп Hobby-Eberly (HET) в обсерватории Мак-Дональд (Техас).Используя также и астрометрические данные Хаббловского космического телескопа,что позволило определить наклон планетной системы к лучу зрения, они открыличетвертую внутреннюю планету в уже известной системе 55 Cancri. Спустя годколичество «горячих нептунов» достигло десятка. А летом 2005 годагруппа Дж. Марси объявила об открытии планеты массой около 7 масс Земли. Этапланета стала первой, которая, по-видимому, имеет твердую поверхность иотносится к так называемому классу «суперземель». Для обнаруженияэтой планеты у звезды Glise 876, рядом с которой уже было открыто два газовыхгиганта, использовали телескоп Кек на Гавайских островах. Но на этомамериканские исследователи останавливаться не собираются, следующий их шаг — глубокая модернизация 2,4-метрового телескопа в Ликской обсерватории и созданиетак называемого «Обнаружителя скалистых планет» (RPF). Он долженобнаружить 5-20 планет с массой, близкой к массе Земли, вокруг звезд, выбранныхв качестве целей для будущих космических обсерваторий NASA — SIM и TPF.По-видимому этот проект станет первым для изучения планет земной массы уобычных звезд. В течение месяца каждую ночь телескоп будет непрерывно изучатьодну из соседних звезд, чтобы обнаружить минимальные колебания спектральныхлиний йода, и должен открыть каменные планеты в радиусе до 0,2 астрономическихединиц от звезды.
Современныедостижения в открытии экзопланет
Фотографии планет,обращающихся вокруг иных звезд, полученные в оптическом и инфракрасномдиапазонах. Эти достижения стали возможными благодаря современным телескопам испециальным методам, позволяющим выделять слабый свет планет на фоне яркойзасветки от родительских звезд. Космический телескоп NASA «Хаббл»(Hubble) сфотографировал планету у гиганта Фомальгаута (HD 216956) — самойяркой звезды в созвездии Южной Рыбы и одной из ярчайших звезд на всем земномнебосклоне (Фомальгаут находится от нас на расстоянии 25 световых лет). Помассе Фомальгаут примерно вдвое превосходит Солнце. Автором открытия сталагруппа американского астронома Пола Каласа из Калифорнийского университета вБеркли. Имеется уже две фотографии экзопланеты, полученные в 2004 и 2006 годах,которые свидетельствуют о том, что планета движется по орбите в полномсоответствии с законами небесной механики. За 21 месяц сдвиг был именно таким,как и положено планете, находящейся на 872-летней орбите на расстоянии 119астрономических единиц от светила (1 а.е. примерно равна 150 миллионамкилометров). Новооткрытая планета (Фомальгаут b), вероятно, близка по массе кЮпитеру, но при этом удалена от своей звезды в четыре раза дальше, чем Нептунот Солнца. Из-за относительно низкой массы и удаленности орбиты этот объект немог быть обнаружен более привычными на сегодняшний день методами. Открытиепланеты у Фомальгаута в оптическом диапазоне стало своего рода неожиданностью,поскольку произошло лишь благодаря ее исключительной яркости (объект, надодумать, обладает очень высоким альбедо – отражательной способностью). Сообщениеоб открытии обнародовано 14 ноября 2008 года в журнале Science. Еще в однойстатье в Astrophysical Journal дополнительно анализируется взаимодействие междупланетой и пылевым диском Фомальгаута с тем, чтобы произвести оценку массыпланеты. Не исключено также, что в системе Фомальгаута вскоре отыщется покрайней мере еще одна планета. Все предыдущие сообщения о получении фотоэкзопланет имели один существенный недостаток: за планету могли принять болеемассивный коричневый карлик, который на самом деле представляет собойнеудавшуюся звезду (массой свыше 13 масс Юпитера) и на ранних этапах жизни яркосветится в инфракрасном диапазоне. Поэтому только сейчас можно с уверенностьюутверждать, что получена фотография инозвездной планеты. Примечательно, чтопрактически одновременно с этой работой стало известно и еще об одномдостижении, когда с помощью крупнейших гавайских наземных телескопов Keck II иGemini North, способных работать в инфракрасном диапазоне, группе астрономов изКанады, США и Великобритании под руководством Кристиана Маруа из канадскогоИнститута астрофизики имени Герцберга, удалось получить фотографии сразу трехпланет у еще одной гигантской звезды — HR 8799 из созвездия Пегаса, котораяудалена от нас на 130 световых лет (публикация в том же журнале Science).Каждый из этих объектов (находящихся на расстояниях 25, 40 и 65 астрономическихединиц от звезды) в 5–13 раз превышает массу Юпитера. Если их планетная природав свою очередь подтвердится, то речь можно будет вести не только об очередныхснимках экзопланет, но и о первых прямых наблюдениях инозвездныхмультипланетных систем. Не прошло и двух недель после обнародования информацииоб открытии планеты у Фомальгаута и у HR 8799, как стало известно о новомдостижении: французским астрономам под руководством Анн-Мари Лагранж изГренобльской обсерватории удалось получить изображение экзопланеты,расположенной к своей родительской звезде ближе, чем какая-либо иная планета надругих подобных снимках. Речь идет об уже хорошо изученной молодой звезде —Бете Живописца (второй по яркости в созвездии Живописца), находящейся от нас нарасстоянии около 63 световых лет. Новообнаруженный объект также корректнее поканазывать кандидатом в планеты, поскольку еще предстоит подтвердить, что это некоричневый карлик и не фоновая звезда. Последнее, впрочем, почти исключено,поскольку вероятность того, что посторонний объект окажется столь близким(спроецируется на орбиту, по размерам чуть меньше орбиты нашего Сатурна, 8а.е.), чрезвычайно мала. Наконец, можно вспомнить еще и о том, что в сентябре2008 года три канадских астронома из Торонтского университета объявили, что им,возможно, удалось получить первую фотографию планеты, обращающейся возлезвезды, похожей на Солнце. Новое достижение стало реальностью благодаряиспользованию Gemini North и системы адаптивной оптики. Помимо снимка (винфракрасном диапазоне) окрестностей молодой звезды 1RXS J160929.1–210524,находящейся о нас приблизительно в полутысяче световых лет в направлении насозвездие Скорпиона, были получены также спектральные данные, подтверждающиепланетарную природу компаньона, масса которого приблизительно в восемь разпревышает массу Юпитера. Расстояние от новообнаруженного объекта дородительской звезды — 330 а.е. («крайняя» планета в Солнечной системе— Нептун — удалена от Солнца всего на 30 а.е.). Родительская звездаспектрального класса K7 по своей массе лишь немногим уступает Солнцу (85%),однако гораздо моложе его — ей всего 5 миллионов лет.
Заключение
За последние несколькосот лет открылись многие тайны Вселенной. Но чем дальше мы движемся по пути еепостижения, чем дальше уходим от нашего «незнания», тем более удивительной итаинственной предстает она перед нами. Воистину великолепная, ошеломляющая изагадочная Вселенная!
Человек устроен так, чтоему очень хочется считать, что он знает все или почти все. К сожалению, этойслабостью грешили и умные, а иногда и мудрые люди, которых принято называтьучеными. Каждый из них создавал свою систему мира и считал, что только егосистема правильная. Поэтому история познания мира полна абсурдов. Напомнимтолько об одном из них. Ученый Лаплас создал свою систему мира, как он считал,самодостаточную. На вопрос Наполеона: «Какова роль Бога в этой системе?» — Лаплас высокомерно ответил: «Моя теория о наличии Бога не нуждается».
На самом деле возможностичеловека в познании окружающего его мира ограничены, причем очень существенно.Нам не дано видеть даже то, что находится рядом с нами. Надо расстаться силлюзией, что мы все можем и незнаем.
Человек должен понимать,что его представления о мире, в котором он живет, могут и будут менятьсякардинально, и никогда он не сможет сказать, что он этот мир познал. Да это ине нужно и не важно. Важно совсем другое: знать и чувствовать, что ты в этоммире находишься на своем месте, занимаешь свою нишу и не мешаешь другим. Ксожалению, человечество пошло другой дорогой и оказалось у разбитого корыта: нисебе ни другим. Оно превратило земной рай в ад, мешать жить другим живымсуществам и скоро само не сможет жить на Земле.
Вселенная живая. Одинученый сказал, что она ему напоминает мысль. Это очень меткое сравнение, Чтокасается материальной Вселенной, то современный этап ее эволюции Ж. Леметрописал так: «Эволюция мира можно сравнить со зрелищем фейерверка, который мызастали в момент, когда он уже кончается: несколько красных угольков, пепел идым. Стоя на остывшем пепле, мы видим медленно угасающие солнца и пытаемсявоскресить исчезнувшее великолепие начала миров».
Литература
1. Стражев, К тайнамВселенной / В.И. Стражев. – Минск: РИВШ, 2006. – 160с. – (Серия «Концепциясовременного естествознания»).
2. Мизун Ю.В., МизунЮ.Г. Тайны Вселенной. М.: Вече, 2002.
3. Шевченко, М.Ю.Путешествие по Вселенной / М.Ю. Шевченко. М., 2000.
4. Ефремов, Ю.Н.Вглубь Вселенной / Ю.Н. Ефремов. М., УРСС, 2003.
5. Беккер, Б. Нашарастущая галактика / Б. Беккер, Ф. Рихтер // В мире науки. 2004. №4.
6. Райзен, И. Новыйсюрприз Вселенной: темная Энергия / И. Райзен // Наука и жизнь. 2004. №3.