Zrodte svety – exoplanéty

Keď vesmírny teleskop Kepler ukončil svoju misiu, ktorá sa začala v marci 2013, v októbri 2009 v dôsledku zlyhania, vedci nahlas vyjadrili spokojnosť s jeho úspechmi. Ukázalo sa však, že dobrodružstvo pri love planét sa tým neskončilo. Nielen preto, že Kepler opäť vysiela, ale aj kvôli mnohým novým spôsobom, ako ich odhaliť.

Ďalekohľad, ktorý krúži po heliocentrickej dráhe, to znamená, že sa točí okolo Slnka ako Zem, musel preskúmať jasnosť 150 1. Slnku podobné hviezdy lemujúce súhvezdia Labuť a Lute (XNUMX). Niekoľko rokov dôsledne vysielal signály o následných objavoch. ezoplanéta.

Medzi prvými boli Kepler-4b, 5b, 6b, 7b a 8b. Každá z nich sa točí okolo svojej hviezdy v malej vzdialenosti od nej (rok na týchto planétach je len niekoľko dní). Všetky sú obrovské – asi štyrikrát väčšie ako Zem (Kepler-4b má polomer 1,5 polomeru Jupitera). Prvé objavy potvrdili predchádzajúce predpoklady o spoločenstve planét vo vesmíre.

Boli to však nadpozemské objekty, takže k žiadnej senzácii nedošlo. V septembri 2011 výskumníci z inštitútu SETI v Kalifornii, ktorí analyzovali údaje z Keplera, objavili systém Kepler-16 (200 svetelných rokov od Zeme).

Pozostáva z dvoch hviezd – červeného trpaslíka s hmotnosťou 0,2 hmotnosti nášho Slnka a oranžového trpaslíka (s hmotnosťou 0,62 hmotnosti nášho Slnka), okolo ktorého sa točí obrie typu Jupiter.

1. Oblasť prehľadávania exoplanét v súčasnosti

Bol to prvý dvojhviezdny systém s planétou objavený takzvanými tranzitmi. Spočíva v tom, že keď sa satelitná planéta hviezdy pohybuje pred jej diskom, spôsobuje jej periodické stmievanie (odoberá časť jej žiarenia). Analýza intenzity a trvania tohto javu, môžete vypočítať polomer planéty a dobu jeho uplatňovania.

V decembri 2011 prišla správa, že Kepler objavil dve planéty, jednu o veľkosti Zeme a menšiu v systéme Kepler-20, ktorý sa nachádza v Lute, vzdialenom 950 svetelných rokov, s piatimi planétami, z ktorých Kepler-20e je menší od Venuša, polomer Kepler-20f je takmer rovnaký ako polomer Zeme. Žiaľ, žiadna z týchto planét neleží v takzvanej obývateľnej zóne, teda oblasti okolo hviezd (nie príliš blízko nich), vhodnej pre život, kde môže existovať voda v tekutom stave.

Táto oblasť je často označovaná ako „Zóna Zlatovlásky“ s odkazom na motívy obľúbenej detskej rozprávky. Je to „tak akurát na celý život“. Kepler-20e a 20f však nie sú v tejto e-zóne, príliš blízko svojej hviezdy, a ich povrchová teplota je 500-760 °C. Ako vidíte, napätie narastalo, no stále sme boli pred vyvrcholením kozmického predstavenia, ktoré nám teleskop poskytol.

Po prvých dvoch rokoch jeho práce výskumníci zistili, že hoci Kepler skutočne objavil nové planéty, boli to najčastejšie telesá niekoľkonásobne väčšie ako Zem a zvyčajne obiehali veľmi blízko svojich materských hviezd. V roku 2013 Kepler konečne našiel to, čo rozbúšilo srdcia ostatných hľadačov Zeme.

V systéme Kepler-62, ktorý pozostáva z oranžového trpaslíka (70 percent hmotnosti nášho Slnka) a piatich planét, sú dve - Kepler-62e a Kepler-62f - len o niečo hmotnejšie ako Zem a ležia v obývateľnej zóne. . 62f má polomer 1,4 polomeru Zeme, je to kamenná planéta a svoju hviezdu obehne za 267 dní. Pred rokom zase svetovými médiami prebleskli fantázie o vzhľade planéty Kepler-186f v súhvezdí Labuť, ďalšej na zozname „druhých Zemí“.

Za svoju slávu vďačí svojej veľkosti – veľmi podobnej Zemi – a tomu, čo sa nachádza v zóne života. Kepler-186f je jednou z piatich planét veľkosti Zeme v hviezdnom systéme vzdialenom takmer 500 svetelných rokov od Slnka. Ale len to leží v obytnej štvrti. Ostatné sú príliš blízko hviezdy.

Výhody tranzitu

Prvá extrasolárna planéta bola objavená začiatkom 90. rokov. V tíme objaviteľov bol poľský rádioastronóm Alexander Wolszan. Točí sa okolo pulzaru, teda neutrónovej hviezdy, ktorá vydáva pulzy žiarenia s nezvyčajnou pravidelnosťou. Keď má pulzar planetárneho spoločníka, pravidelnosť pulzov je narušená. Vo vesmíre nie je veľa pulzarov, takže je ťažké ich považovať za základ hľadania. ezoplanéta.

2. Metódy detekcie exoplanét z historického hľadiska.

Preto boli vyvinuté ďalšie metódy, napríklad Dopplerova spektroskopia, ktorá študuje radiálne rýchlosti hviezd. Táto rýchlosť kolíše, keď má hviezda na obežnej dráhe spoločníka (v tomto prípade planétu), ktorý ju ovplyvňuje vplyvom gravitácie.

Potom sa hviezda trochu vzdiali od pozorovateľa a priblíži sa k nemu. Keď sa vzďaľuje, rýchlosť je kladná (spektrálne čiary hviezdy sú posunuté smerom k dlhším vlnovým dĺžkam).

A naopak, keď sa hviezda priblíži. Doteraz sa pri pozorovaniach zo Zeme najčastejšie využívali štúdie radiálnej rýchlosti.

Je nepravdepodobné, že by sa takto našli menšie terestriálne planéty. Lovci mimozemšťanov preto najčastejšie využívajú spomínaný spôsob zvaný tranzit. Na jeho základni sídli Keplerovo vesmírne observatórium.

Teleskop je vybavený fotometer 95 cm (druh ďalekohľadu), s matricou pozostávajúcou zo 95 veľmi citlivých CCD obvodov, t.j. používaných v moderných digitálnych fotoaparátoch. Celkové rozlíšenie ďalekohľadu Kepler je 95 megapixelov. Existujú aj iné metódy hľadania cudzích planét – technika gravitačnej mikrošošovky, astrometria a priame pozorovanie, no v súčasnosti dominuje tranzitná metóda. Zhruba XNUMX percent je odhalených práve vďaka nemu ezoplanéta (2).

Veľkosť nie je jediná vec, na ktorej záleží

Odhaduje sa, že 17 percent hviezd v našej galaxii má planétu resp terestrické planéty, t.j. s hmotnosťou porovnateľnou s hmotnosťou Zeme (3). Hoci väčšina z nich sleduje úzke dráhy podobné tým, ktoré má Merkúr, obiehajú okolo rôznych hviezd, z ktorých niektoré sú oveľa menšie ako Slnko. Podľa vedcov sa asi polovica všetkých hviezd v Galaxii točí v blízkosti planét rôznych veľkostí, čo znamená, že sú porovnateľné so Zemou a väčšie.

Ukázalo sa, že najmenej dve tretiny hviezd v Mliečnej dráhe majú planéty. Ich počet sa v súčasnosti odhaduje na približne 400 miliárd. Za predpokladu, že planéty zvyčajne neexistujú izolovane, naše odhady sa menia na stovky miliárd planét. V našej galaxii je najmenej 17 miliárd planét veľkosti Zeme.

Toto číslo oznámili v roku 2013 vedci z Astrofyzikálneho centra na Harvardskej univerzite, a to predovšetkým na základe pozorovaní uskutočnených pomocou vesmírneho teleskopu Kepler. Samozrejme, tieto údaje by sa nemali chápať tak, že každá z týchto niekoľkých miliárd planét má priaznivé podmienky pre život. Jedna veľkosť nestačí. Je tiež dôležité vzdialiť sa od hviezdy, okolo ktorej sa planéta točí (4).

V novembri 2013 usporiadalo Ames Research Center v Kalifornii vedeckú konferenciu – zariadenie NASA, ktoré riadi misiu Kepler – na zhrnutie vedeckých pokrokov vyplývajúcich z práce teleskopu. Podľa vedcov, ktorí tam hovorili, by každá piata hviezda porovnateľná so Slnkom (teda žltí trpaslíci) „mala“ mať aspoň jednu terestrickú planétu (teda porovnateľnej veľkosti, hmotnosti a teploty). Mohol by sa na ňom narodiť a prežiť v živote, ako ho poznáme zo Zeme.

Treba však uznať, že väčšinou egzoplanety mimoriadne pestrá. Prichádzajú v rôznych veľkostiach a zložení. Niektoré z nich nezodpovedajú všetkému, čo vieme o planétach z pozorovaní našej slnečnej sústavy. Niektoré sú černejšie ako uhlie, iné sa kúpajú v mori lávy, iné sa topia v oceánoch alebo bičujú diamantové dažde.

4. Zóna života v planetárnych sústavách v závislosti od teploty hviezdy

K2 alebo reinkarnácia

Kepler Prvé reakčné koleso ďalekohľadu Kepler prestalo fungovať v júli 2012. Boli tam ďalšie tri, ktoré umožnili sonde navigovať vo vesmíre. Zdalo sa, že Kepler bude môcť pokračovať v pozorovaní až do roku 2016. Bohužiaľ, v máji 2013 zlyhalo druhé koleso. Uskutočnili sa pokusy použiť korekčné trysky na umiestnenie observatória, ale palivo sa rýchlo minulo.

V polovici októbra 2013 NASA oznámila, že Kepler už nebude hľadať planéty. A stále od mája 2014 vykonáva novú misiu vynikajúci lovec exoplanét, ktorý NASA označuje ako K2. (5). Bolo to možné vďaka použitiu o niečo menej tradičných techník. Keďže teleskop by nebol schopný fungovať s dvomi pracovnými reakčnými kolesami (potrebujete tri), vedci z NASA sa rozhodli použiť tlak slnečného žiarenia ako „virtuálne reakčné koleso“.

Táto metóda sa osvedčila pri ovládaní ďalekohľadu. V rámci misie K2 sa už uskutočnili pozorovania desiatok tisíc hviezd. V decembri 2014 bolo oznámené, že v hviezdnom systéme KOI-3158, ktorý sa nachádza 117 svetelných rokov od Zeme, nie je len päť planét podobných Zemi, ale obe sú egzoplanety najstaršia nájdená.

Objav urobil tím astronómov a astrofyzikov pod vedením Thiaga Campanteho z University of Birmingham, ktorý analyzuje pozorovania z K2. Hviezdny systém KOI-3158, ktorý je v skutočnosti súčasťou trojhviezdneho systému s dvoma trpaslíkmi M, sa odhaduje na viac ako 11 miliárd rokov. Planetárny systém v súhvezdí Lýra však nie je ako ten náš, pretože všetkých päť planét obieha okolo hviezdy bližšej ako Merkúr za menej ako desať dní.

K2 prináša nové objavy takmer každý mesiac, pretože začiatkom roka 2015 sme sa dozvedeli o existencii planetárneho systému EPIC 201367065, v ktorom boli objavené tri malé superzemské exoplanéty. Celkovo za prvé mesiace roku 2015 šestnásť ezoplanéta, pätnásť z nich bolo s K2.

Väčšina týchto zariadení je relatívne malá. Aktuálny zoznam Encyklopédie extrasolárnych planét (marec 2015) obsahuje 1906 potvrdených exoplanét. Ostatné zoznamy sa mierne líšia v hodnotách, no žiadna z nich zatiaľ neprekročila 2000 extrasolárnych planét.

5. Vizualizácia oblastí hľadania v misii K2 - ďalekohľad Kepler

Možné zo Zeme

Stále viac a viac k objavovaniu ezoplanéta používajú sa pozemné nástroje. Dokonca sa budujú nové observatóriá, ktorých hlavným účelom je zisťovať a zbierať dáta o planétach obiehajúcich okolo iných hviezd. Preto bola v Arizone v Arizone vytvorená Minerva (Miniature Exoplanet Radial Velocity Array). Je to tiež príklad nového nízkonákladového prístupu k hľadaniu planét.

6. Malé teleskopy HATNet v porovnaní s veľkým observatóriom

Namiesto obrovských ďalekohľadov v hodnote miliónov využíva projekt Minerva menšie teleskopy dostupné na trhu. Štyri takéto zariadenia s priemerom 70 cm a dĺžkou 2,5 m, vyrábané spoločnosťou PlaneWave, stoja každé 200 XNUMX PLN. diera. pre každého a je k dispozícii pre nadšencov, ktorí si to môžu dovoliť.

Na observatóriu Minerva je svetlo zo všetkých štyroch smerované do spektrografu, ktorý ho rozdeľuje na rôzne vlnové dĺžky. To vám umožní pozorovať malé zmeny v pohybe hviezd vzhľadom na Zem.

To zase poukazuje na telesá obiehajúce okolo týchto vzdialených sĺnk a umožňuje vypočítať ich hmotnosti. Minerva tiež umožňuje merať malé zmeny jasu, keď sa objekty pohybujú medzi diskom hviezdy a Zemou. Zameriava sa na 164 blízkych bodov vo vesmíre, ktoré boli vybrané pre ich potenciálnu „planetárnu efektivitu“.

Myšlienka použitia relatívne malých a lacných ďalekohľadov na zachytenie exoplanét sa už používa na mnohých miestach po celom svete. Napríklad sieť teleskopov HATNet (6), ktorú vytvoril Gaspar Bakos z Princetonskej univerzity pred desiatimi rokmi, využíva zariadenia s priemerom len 10 cm a publikovala publikácie o 56 objavených planétach.

Sesterská sieť HATSouth prevádzkuje 24 ďalekohľadov umiestnených na južnej pologuli v Austrálii, Namíbii a Čile. Vytvorenie distribuovanej siete a jej koordinácia umožňujú presnejšie pozorovanie tranzitov planét. Automatizovaný vyhľadávač planét pracuje na vrchole kalifornskej hory od začiatku roku 2014. Už našiel dva možné planetárne systémy.

Zozbierané údaje budú základom pre ďalšie pozorovania pomocou satelitu TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite), ktorého štart do vesmíru je naplánovaný na rok 2017. Greg Laughlin z Kalifornskej univerzity v Santa Cruz, ktorý sa podieľa na zbere údajov vrátane observatória, nedávno pre NewScientist povedal, že rozprávanie o „love“ egzoplanetyale skôr o ich „zbieraní“.

Vyčuchajte známky života

Tranzitná metóda hovorí len málo o samotnej planéte. Pomocou nej môžete určiť jej veľkosť a vzdialenosť od hviezdy. Metóda merania radiálnej rýchlosti môže pomôcť určiť jej hmotnosť. Kombinácia týchto dvoch metód umožňuje vypočítať hustotu. Môžete sa na to pozrieť bližšie exoplanéta? Ukazuje sa, že áno. NASA už videla lepšie planéty ako Kepler-7b, pre ktoré teleskopy Kepler a Spitzer zmapovali oblaky v atmosfére.

7. Prvý obrázok z Gemini Planet Imager - systém Beta Pictoris b

Ukázalo sa, že táto planéta je príliš horúca pre nám známe formy života. Je tam horúco od 816 do 982°C. Už len samotný fakt takéhoto podrobného popisu je však veľkým krokom vpred, vzhľadom na to, že hovoríme o svete, ktorý je od nás vzdialený sto svetelných rokov.

Vhod príde aj adaptívna optika, ktorá sa používa v astronómii na elimináciu porúch spôsobených atmosférickými vibráciami.

Jeho použitie spočíva v ovládaní ďalekohľadu počítačom, aby sa predišlo lokálnym deformáciám zrkadla (rádovo niekoľko mikrometrov), čím sa opravia chyby vo výslednom obraze.

Takto funguje Gemini Planet Imager (GPI) umiestnený v Čile. Tento nástroj bol prvýkrát spustený v novembri 2013. GPI používa infračervené detektory a sú dostatočne výkonné na to, aby rozpoznali svetelné spektrum objektov tak tmavých a vzdialených, ako sú. egzoplanety.

Vďaka tomu bude možné dozvedieť sa viac o ich zložení. Planéta Beta Pictoris b (7) bola vybraná ako jeden z prvých pozorovacích cieľov. V tomto prípade GPI funguje ako slnečný koronograf, to znamená, že pokrýva disk vzdialenej hviezdy, aby ukázal jas blízkej planéty.

Práve pomocou adaptívnej optiky objavilo Palomarské observatórium v ​​San Diegu v Kalifornii planéty v štvorhviezdnom systéme 30 Ari v súhvezdí Barana (8), 136 svetelných rokov od Zeme.

Pre porovnanie, prvá planéta v takomto exotickom štvorhviezdnom systéme, KIC 4862625, bola objavená v roku 2013 amatérskymi astronómami pri analýze údajov Keplera.

To len ukazuje, že nejde o veľmi zriedkavý jav a štvornásobné systémy tvoria pätinu známych hviezd podobných slnku (9). Kľúčom k pozorovaniu „známok života“ je svetlo z hviezdy obiehajúcej okolo planéty.

Svetlo prechádzajúce atmosférou egzoplanety zanecháva špecifickú stopu, ktorá sa dá merať zo Zeme spektroskopickými metódami, t.j. analýza žiarenia emitovaného, ​​absorbovaného alebo rozptýleného fyzickým objektom. Podobný prístup možno použiť na štúdium povrchov exoplanét. Je tu však jedna podmienka. Povrch planéty musí dostatočne absorbovať alebo rozptyľovať svetlo.

Vyparujúce sa planéty, teda planéty, ktorých horné vrstvy plávajú vo veľkom oblaku prachu, sú dobrými kandidátmi. Ako sa ukazuje, veci ako oblačnosť na planéte môžeme rozpoznať aj z diaľky. Existencia hustého závoja mrakov okolo ezoplanéta GJ 436b a GJ 1214b boli odvodené zo spektroskopickej analýzy svetla z ich materských hviezd.

Obe planéty sú kategorizované ako „super-Zeme“. GJ 436b sa nachádza 36 svetelných rokov od Zeme v súhvezdí Lev. GJ 1214b sa nachádza v súhvezdí Ophiuchus vo vzdialenosti 40 svetelných rokov. Prvá je veľkosťou podobná Neptúnu, no oveľa bližšie k svojej hviezde ako planéta známa zo slnečnej sústavy. Druhý je menší ako Neptún, ale oveľa väčší ako Zem.

9. Vízia sveta v trojhviezdnom systéme

Budú sa diať európske veci

Vesmírna agentúra (ESA) v súčasnosti pracuje na družici, ktorej úlohou je presne charakterizovať a dozvedieť sa o už známych štruktúrach. ezoplanéta (CHEOPS). Spustenie tejto misie je ohlásené na rok 2017. NASA chce zasa v tom istom roku vyslať do vesmíru spomínaný satelit TESS, ktorý bude zameraný predovšetkým na hľadanie terestrických planét, asi 500 XNUMX. hviezdy, ktoré sú nám najbližšie.

10. Jedna z vizualizácií teleskopu Jamesa Webba

V pláne je objaviť aspoň tristo planét „druhej Zeme“. Obe tieto misie sú založené na tranzitnej metóde. Vo februári 2014 Európska vesmírna agentúra schválila misiu PLATO.

Podľa aktuálneho plánu by mala začať v roku 2024 a hľadať kamenné planéty s obsahom vody. Tieto pozorovania môžu umožniť – rovnakým spôsobom, akým sa na to použili Keplerove údaje – hľadať aj exomúny.

Citlivosť PLATO bude porovnateľná s citlivosťou ďalekohľadu Kepler. Európska ESA pred mnohými rokmi vyvinula Darwinov program. NASA mala podobný „hľadač planét“ – TPF (Terrestrial Planet Finder).

Cieľom oboch projektov bolo skúmať planéty podobné Zemi z hľadiska prítomnosti plynov v atmosfére, ktoré signalizujú priaznivé podmienky pre život. Oba zahŕňali odvážne myšlienky vytvorenia siete vesmírnych teleskopov spolupracujúcich pri hľadaní teleskopov podobných Zemi. ezoplanéta.

Pred desiatimi rokmi však tieto technológie neboli dostatočne vyvinuté a programy boli obmedzené. Našťastie nie všetko vyšlo nazmar. Obohatení o skúsenosti NASA a ESA v súčasnosti spolupracujú na vesmírnom teleskope Jamesa Webba, ktorý má byť vypustený do vesmíru v roku 2018 (10). Vďaka veľkému 6,5-metrovému zrkadlu bude možné študovať atmosféry veľkých planét.

To umožní astronómom odhaliť chemické stopy kyslíka a metánu. Už teraz dostaneme konkrétne informácie o atmosférach exoplanét – ďalší krok v spresňovaní poznatkov o týchto vzdialených svetoch. Na ďalšom výskume v tejto oblasti pracujú v NASA rôzne tímy. Jedným takým menej známym a stále v ranom štádiu je Starshade.

Hovoríme o zatienení svetla hviezdy niečím ako dáždnikom, na okraji ktorého by sa dali pozorovať planéty. Analýzou vlnových dĺžok by bolo možné určiť zložky ich atmosféry. NASA tento alebo budúci rok projekt vyhodnotí a rozhodne, či misia stojí za to. Ak bude spustená misia Starshade, stane sa tak v roku 2022.

Exo-mesiace čakajú v krídlach ezoplanéta Astronómovia tiež hľadajú exo-mesiace – také, ktoré majú ešte väčšiu šancu na život ako planéty, okolo ktorých obiehajú. Tradične sa astronómovia zaujímajú o životné zóny (ekosféry) v hviezdnych systémoch. Tento jednoduchý obraz však komplikujú exomúny. Slnečné žiarenie nie je jediným spôsobom, ako sa udržať v teple.

Domovská planéta môže dodať Mesiacu dodatočnú energiu prostredníctvom gravitačnej kompresie a naťahovania, čo je proces nazývaný prílivový ohrev. To umožňuje Mesiacu mimo svojej životnej zóny udržiavať toľko tepla, koľko je potrebné na udržanie tekutej vody. Tento jav minimálne zdvojnásobuje veľkosť životnej zóny. Napríklad mesiac Európa zažíva silné gravitačné pole Jupitera.

To udržuje ľadové oceány tekuté. Jedna z metód detekcie ezoplanéta Mikrošošovka je založená na fenoméne ohýbania svetla pod vplyvom gravitácie, keď objekt prechádza medzi nami a vzdialenou hviezdou. Jeho gravitácia zaostruje svetlo ako šošovka a jas hviezdy sa periodicky zvyšuje. Počas nedávnych pozorovaní teleskopom MOA-II na Novom Zélande astronómovia zaznamenali prudký nárast jasnosti hviezdy, po ktorom o hodinu neskôr nasledoval ďalší, slabší nárast.

V dôsledku toho musel pred hviezdnym diskom prejsť veľký objekt so sprievodným menším. Nameraný hmotnostný pomer oboch objektov bol približne 2000:1. Podľa niektorých astronómov môže sprievodný Mesiac označovať svoju prítomnosť tým, že planéta mierne kolíše. V praxi to znamená, že tranzit planéty sa môže oneskoriť alebo urýchliť nad očakávanie.

Možno existuje aj ďalší pokles jasu hviezdy v dôsledku samotného Mesiaca? V rámci programu Hunt for Exmoons with Kepler (HEK) tím výskumníkov vybral 250 exoplanét na štúdium satelitov. Práca je pomalá a únavná analyzovať každú planétu postupne pomocou počítačových programov, ktoré dokážu odhaliť odchýlky a dodatočné zmeny jasu.

Vedci počas dvoch rokov analyzovali sedemnásť planét. Lov na prvý potvrdený exomesiac teda môže nejaký čas trvať. Keď sa však konečne vyvinie vhodná metóda, ich počet môže rýchlo prevýšiť počet planét. Koniec koncov, v našej slnečnej sústave je len osem planét a až 145 mesiacov (a 28 ďalších čaká na potvrdenie). Ako vidíte, toto znásobuje počet svetov zo stoviek miliárd na stovky ďalších.