Космический телескоп обращавшийся вокруг солнца. Количество экзопланет, обнаруженных космическим телескопом Kepler, перевалило за тысячу

Солнечная система — наша планетная система, включающая в себя центральную звезду — Солнце — и все естественные космические объекты, обращающиеся вокруг Солнца. Предполагается, что она сформировалась путём гравитационного сжатия газопылевого облака примерно 4,57 млрд лет назад.

Солнечная система разделяется на внутреннюю и внешнюю.

Четыре меньшие внутренние планеты: Меркурий, Венера, Земля и Марс называются планетами земной группы, состоят в основном из скальных пород и металлов. Четыре внешние планеты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, также называемые газовыми гигантами, состоят, главным образом из водорода и гелия, а Уран и Нептун, содержат в своём составе еще и метан и угарный газ.

Внутреннюю и внешнюю системы разделяет пояс астероидов (между Марсом и Юпитером). Крупнейшими объектами пояса астероидов являются , Паллада, Веста и Гигея.

Большинство крупных объектов, обращающихся вокруг Солнца, движутся практически в одной плоскости, называемой плоскостью эклиптики. Кроме комет и - они часто обладают большими углами наклона к этой плоскости.

Все планеты и большинство других объектов обращаются вокруг Солнца в одном направлении с вращением Солнца (против часовой стрелки, если смотреть со стороны северного полюса Солнца). Комета Галлея является исключением.

Большая часть планет вращается вокруг своей оси в ту же сторону, что и обращается вокруг Солнца. Исключения составляют Венера и Уран.

Большинство планет Солнечной системы окружены спутниками. Большинство крупных спутников находятся в синхронном вращении, с одной стороной, постоянно обращённой к планете (гравитационно закреплены).

В настоящее время принято следующее определение термина "планета" - любое тело на орбите вокруг Солнца, оказавшееся достаточно массивным, чтобы приобрести сферическую форму, но недостаточно массивным для начала термоядерного синтеза, и сумевшее очистить окрестности своей орбиты от планетезималей. Согласно этому определению в Солнечной системе имеется восемь известных планет: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Плутон не соответствует этому определению, поскольку не очистил свою орбиту от окружающих объектов пояса Койпера.

Космический телескоп «Кеплер» был запущен в марте 2009 года и обращается вокруг Солнца с периодом в 372,5 дней. Задача телескопа — наблюдать за светом примерно 150 тысяч звезд, чтобы отследить тот момент, когда звезда «мигнет». Это означает, что между ней и телескопом прошло небесное тело, вероятно, планета. По мерцанию света звезды можно определить период обращения планеты вокруг нее, ее приблизительный размер и некоторые другие характеристики. Однако для того, чтобы подтвердить статус планеты для каждого объекта нужны дополнительные наблюдения при помощи других телескопов.

© EPA/NASA/Ames/JPL-Caltech

Первая скалистая планета

Первые результаты работы телескопа ученые получили через несколько месяцев после его запуска. Тогда «Кеплер» нашел пять потенциальных экзопланет: Kepler 4b, 5b, 6b, 7b и 8b — «горячих Юпитеров», на которых не может существовать жизнь.

В августе 2010 года ученые подтвердили обнаружение первой планетой системы с более чем одной, а точнее тремя планетами, обращающимися вокруг звезды — Kepler-9.

Рассуждая о возможности существования жизни астрономы используют выражение «зона жизни» или «обитаемая зона». Так называют расстояние от звезды, при котором на ней не слишком жарко и не слишком холодно для существования жидкой воды на поверхности.

Тысячи новых планет

В феврале того же года ученые обнародовали результаты «Кеплера» за 2009 год — список из 1235 кандидатов в экзопланеты. Из них 68 — примерно земного размера (5 из них — в зоне жизни), 288 — размером больше Земли, 662 — размером с Нептун, 165 — размером с Юпитер и 19 — больше Юпитера. Кроме того, тогда же было объявлено об обнаружении звезды (Kepler-11) с шестью обращающимися вокруг нее планетами размером больше земного.

В сентябре ученые сообщили, что «Кеплер» обнаружил планету (Kepler-16b), которая обращается вокруг двойной звезды, то есть у нее сразу два солнца.

К декабрю 2011 года количество обнаруженных «Кеплером» экзопланет-кандидатов выросло до 2326, 207 — примерно земного размера, 680 — размером больше Земли, 1181 — размером с Нептун, 203 — размером с Юпитер, 55 — больше Юпитера. Тогда же NASA сообщило об открытии первой планеты в зоне жизни возле звезды, похожей на Солнце, Kepler-22b. Размером она в 2,4 раза превышала Землю. Она стала первой подтвержденной планетой в обитаемой зоне.

Чуть позже в декабре того же года ученые заявили об открытии экзопланет земного размера, Kepler-20e и Kepler-20f, общающихся вокруг звезды, сходной с Солнцем, хотя и слишком близко к нему, чтобы попасть в зону жизни.

В январе 2013 года NASA сообщило о том, что список кандидатов в экзопланеты пополнился еще 461 новыми планетами. Четыре из них по своим размерам не превосходили Землю в два раза и при этом находились в зоне жизни своих звезд. В апреле ученые сообщили об открытии двух планетарных систем, в которых три планеты размеров больше земного находились в обитаемой зоне. Всего системе звезды Kepler-62 было пять планет, в системе Kepler-69 — две.

Телескоп выходит из строя…

В мае 2013 у телескопа вышел из строя второй из четырех гиродинов — устройств, необходимых ему для ориентации и стабилизации. Без возможности удерживать телескоп в устойчивом положении продолжать «охоту» за экзопланетами стало невозможно. Однако список экзопланет по мере анализа данных, накопленных за время работы телескопа, продолжал пополняться. Так, в июле 2013 года, в списке потенциальных экзопланет стало уже 3277 кандидатов.

В апреле 2014 года ученые впервые сообщили об обнаружении планеты земного размера, Kepler-186f, в обитаемой зоне звезды. Она находится в созвездии Лебедя, в 500 световых лет от нас. Вместе с тремя другими планетами Kepler-186f обращается вокруг красного карлика в два раза меньшего, чем наше Солнце.

…но продолжает работу

В мае 2014 года NASA объявило о продолжении работы телескопа, починить его полностью не удалось, однако ученые нашли способ компенсировать поломку, используя давление солнечного ветра на аппарат. В декабре 2014 года телескоп, работающий в новом режиме, смог обнаружить первую экзопланету.

В начале 2015 года число планет-кандидатов в списке «Кеплера» достигло 4175, а число подтвержденных экзопланет составило тысячу. Среди свежеподтвержденных планет оказались Kepler-438b и Kepler-442b. Kepler-438b находится в 475 световых годах от нас и на 12% больше, чем Земля, Kepler-442b — в 1100 световых годах от нас и на 33% больше Земли. Они обращаются в обитаемой зоне звезд меньшего размера и более холодных, чем Солнце.

Тогда же NASA сообщило об обнаружении «Кеплером» самой древней известной планетной системы возрастом 11 миллиардов лет. В ней вокруг звезды Kepler-444 обращаются пять планет размером меньше Земли. Звезда на четверть меньше нашего Солнца и холоднее, она находится в 117 световых годах от Земли.

23 июля 2015 года ученые сообщили о новой порции планет-кандидатов, добавленных в каталог «Кеплера». Теперь их число составляет 4696, а количество подтвержденных планет — 1030, среди них 12 планет не превышают размер Земли более, чем в два раза и находятся в зоне жизни своих звезд. Одна из них, Kepler 452b, находится от Земли на расстоянии 1400 световых лет и обращается вокруг звезды, которая на 4% массивнее и на 10% ярче Солнца.

Несколько месяцев назад учёные подвели итоги работы "главного охотника за экзопланетами" - космического телескопа "Кеплер". Из 4700 кандидатов в "сёстры Земли" исследователи отобрали всего 20 планет, больше всего похожих на наш родной мир. По просьбе редакции Лайфа астроном, лектор Санкт-Петербургского планетария Мария Боруха рассказала, что такое экзопланеты, как их ищут и как они могут выглядеть.

Немного о Солнечной системе

Современное определение слова "планета", данное международным астрономическим союзом (МАС) содержит три пункта. Планета - это небесное тело, которое:

Обращается по орбите вокруг Солнца.
Имеет достаточную массу, чтобы под действием собственной гравитации прийти в состояние гидростатического равновесия.
Расчищает окрестности своей орбиты от иных объектов.

В Солнечной системе под это определение подошли восемь объектов: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун.

Самые большие тела Солнечной системы в масштабе

Первые четыре планеты - маленькие и каменистые, затем идут два огромных газовых гиганта, затем - два ледяных гиганта. При этом орбиты всех планет являются практически круговыми и лежат близко к одной плоскости (наиболее сильно выделяется Меркурий: наклонение орбиты составляет 7 градусов, а эксцентриситет (так учёные называют отличие любого конического сечения, например эллипса ,от правильной окружности) равен 0,2.

Орбиты тел Солнечной системы в масштабе

Такое устройство планетной системы привычно для нас. Но это вовсе не значит, что именно таким образом должны быть устроены все планетные системы во Вселенной или хотя бы в нашей Галактике. Более того, чем дальше продвигаются исследования других планетных систем, тем яснее становится, что природное разнообразие планет гораздо богаче, чем можно вообразить.

Первые открытия

Таким образом, экзопланеты (от др.-греч. ἔξω - "вне, снаружи") - это любые планеты, обращающиеся вокруг других звёзд. Сейчас их открывают практически каждый день. На 11 августа 2016 года общее число открытых экзопланет составило 3496 (и ещё несколько тысяч кандидатов ждут подтверждения). И это - только начало большого пути исследования внесолнечных систем.

Рост числа открытых экзопланет

Когда и кем была открыта первая экзопланета, утверждать сложно: дело в том, что многие заявления об открытии экзопланет не подтверждались. При этом в 1988 году появилась работа, в которой исследователи указывали на возможность существования у двойной звезды Гамма Цефея третьего звёздного компонента. Но, как выяснилось через 15 лет, Кэмпбелл и его соавторы открыли вовсе не звезду, а экзопланету. По современным оценкам, масса этой планеты лежит в интервале от 4 до 18 масс Юпитера и обращается она вокруг звезды Гамма Цефея А (звезды Альраи) за 903 дня (период обращения Юпитера в Солнечной системе почти в пять раз больше). Новая планета получила в 2003 году имя Гамма Цефея А b - в соответствии с правилами названия экзопланет (к имени звезды приписывается буква латинского алфавита, начиная с b). Звезда Гамма Цефея имеет звёздную величину 3,2 m и видна на небе землянам даже невооружённым глазом.

Созвездие Цефея (Cepheus). Синей стрелкой выделена звезда Гамма Цефея

Что же увидели исследователи в этой области неба? Как они могли перепутать звезду и планету? Дело в том, что большинство экзопланет открыто с помощью косвенных методов: из почти трёх с половиной тысяч открытых экзопланет астрономы видели свет лишь нескольких десятков. Найти такие объекты и оценить их параметры, не видя напрямую, возможно, лишь измеряя влияние экзопланеты на звезду, вокруг которой она обращается. Кемпбелл и его соавторы открыли экзопланету Гамма Цефея А b одним из косвенных методов - методом лучевых скоростей.

Что такое метод лучевых скоростей?

Представьте, что вы смотрите на машину, которая уезжает от вас. Расстояние между вами всё время увеличивается, значит, её лучевая скорость относительно вас - положительна. Если машина едет к вам и расстояние между вами уменьшается, лучевая скорость - отрицательна. В том случае, если машина кружит вокруг вас, не приближаясь и не удаляясь, её лучевая скорость равна нулю. Более формальное определение лучевой (радиальной) скорости можно .

А теперь послушайте, что происходит с гудком машины, когда она приближается к вам и удаляется от вас:

Эффект Доплера при движении автомобиля

Сначала, когда скорость машины мала, мы слышим "настоящий" звук гудка. По мере нарастания скорости автомобиля звук издаваемого сигнала постепенно повышается. При этом, как только машина начинает удаляться от нас, мы слышим понижение частоты гудка. Этот эффект изменения частоты сигнала в зависимости от лучевой скорости называется эффектом Доплера .

Да-да, это тот самый "полосатый" эффект, ведь он применим к любым волнам, не только к звуку, но и к видимому свету. Например, если жёлтый фонарик быстро летит на вас, он будет казаться зелёным, если от вас - то красным.

Каким же образом эффект Доплера применим к экзопланетным системам? Рассмотрим два тела - звезду и планету. На первый взгляд может показаться, что планета обращается вокруг звезды, а звезда стоит на месте. Но на самом деле звезда тоже обращается, с тем же периодом, что и планета, описывая при этом маленький кружок вокруг центра масс системы. И если при этом система располагается по отношению к вам так, что лучевая скорость звезды для вас в некоторые моменты времени отлична от нуля, вы можете заметить эффект Доплера в такой системе и заподозрить, что вокруг звезды обращается массивное тело. Например, лучевая скорость звезды Гамма Цефея А колеблется от –27,5 м/c до +27,5 м/c из-за обращающейся вокруг неё экзопланеты.

Таким образом, когда исследователи заявляют об открытии звезды методом лучевых скоростей, они не "видят" экзопланету, что называется, своими глазами, но измеряют её влияние на звезду. Причём модуль лучевой скорости звезды будет тем больше, чем:

массивнее планета;
легче звезда;
меньше расстояние между звездой и планетой;
меньше наклон плоскости орбиты системы к нашему лучу зрения.

Аналогичная ситуация возникает и тогда, когда планеты открывают самым эффективным методом на сегодняшний день - транзитным.

Открыть планету транзитом

Метод транзитов (прохождений по диску) заключается в измерении изменения потока излучения (проще говоря - светимости), приходящего от звезды. Даже невооружённым глазом можно наблюдать транзит, правда, в пределах Солнечной системы. Прохождение по диску Солнца таких тел, как Луна, Венера или Меркурий, - классический пример такого явления.

Транзит Венеры по диску Солнца, наблюдаемое падение блеска

Для обнаружения планеты методом транзитов необходимо, чтобы:

орбита системы лежала в плоскости луча зрения наблюдателя;
система имела период меньше, чем время наблюдения.

При этом чем меньше различие в размерах планеты и звезды, тем проще зафиксировать транзит в такой системе.

Большую часть планет, открытых транзитным методом, составляют объекты, снятые космическим телескопом "Кеплер". В данный момент около четырёх тысяч кандидатов в экзопланеты, обнаруженные этим телескопом, ожидают своего окончательного подтверждения. И все эти планеты находятся лишь в маленькой области неба, в которую направлен этот телескоп.

Поле зрения телескопа "Кеплер"

Первая планета, транзит которой удалось наблюдать в 2005 году, была открыта ещё в 1999 году методом лучевых скоростей. Она получила имя HD 209458 b, но из-за особенной популярности у учёных ей дали также собственное имя - Осирис. Эта планета делает один оборот вокруг своей звезды солнечного типа всего за 3,5 дня и имеет радиус в 1,4 раза больше, чем Юпитер в Солнечной системе. Масса планеты (0,7 массы Юпитера) была определена методом лучевых скоростей - Осирис вызывает колебания лучевой скорости своей звезды от -84 м/c до +84 м/c.

Такие планеты, как Осирис, относятся к типу "горячих юпитеров". Они близки по массе к Юпитеру, но обращаются на очень близких орбитах к своим звёздам и, следовательно, сильно разогреты. И хотя в Солнечной системе нет планет такого типа, в нашей Галактике "горячих юпитеров" найдено уже несколько сотен. Именно такие планеты открывались первыми - методом транзитов и методом лучевых скоростей наличие больших и близких к звезде планет установить проще. У некоторых "горячих юпитеров" (включая Осирис) частично изучен химических состав и проводится моделирование атмосфер, но, к сожалению, увидеть свет таких объектов - очень сложная задача.

Количество экзопланет, открытых различными методами

Изображения экзопланет

В данный момент существует лишь несколько десятков изображений экзопланет. Чтобы выделить свет от планеты, необходимо "перекрыть" свет от звезды, вокруг которой обращается планета (либо до попадания света на приёмник излучения, либо после - программными методами). Соответственно, легче сфотографировать большую планету, находящуюся в значительном удалении от своей звезды. Причём в инфракрасной области спектра выделить свет экзопланеты рядом со звездой оказывается проще.

Первой планетой, открытой в 2004 году с помощью получения её изображения, является объект с именем 2M1207 b.

Фотография системы 2M1207 в инфракрасном диапазоне. Слева - планета, справа - коричневый карлик

Изображение 2M1207 b - газового гиганта, обращающегося вокруг коричневого карлика 2M1207 (на расстоянии, в 55 раз превышающем расстояние между Солнцем и Землёй), было получено с помощью одного из телескопов системы VLT. Эту же область неба в созвездии Центавра наблюдал телескоп "Хаббл" с целью подтверждения совместного движения компонент. Поток излучения от планеты, которая, возможно, продолжает сжиматься, в этой системе всего в сотню раз меньше, чем поток от карлика 2M1207 (для сравнения, при наблюдении Солнечной системы со стороны ярчайшие планеты будут иметь блеск примерно в миллиард раз слабее, чем Солнце). В конце 2015 года появилась работа, в которой с помощью точных фотометрических наблюдений был установлен период вращения планеты 2M1207 b, который составляет примерно 10 часов.

Первой "сфотографированной" планетной системой стала HR 8799 в созвездии Пегаса.

Планетная система звезды HR 8799. Планеты обозначены буквами b, c, e, d. В центре - артефакты вычитания из изображения света звезды

Планетная система состоит из гигантов, в пять (HR 8799 b) и в семь раз массивнее Юпитера (HR 8799 с, HR 8799 e, HR 8799 d), при этом размер планетной системы близок к размеру Солнечной системы. О получении снимков этой планетной системы с помощью телескопов обсерваторий Кека и Гемини исследователи объявили в 2008 году.

И что же дальше?

На сегодняшний день среди открытых экзопланет есть те, поверхность которых представляет океан. Найдены газовые гиганты, теряющие свои атмосферы, и хтонические планеты, которые газовую оболочку уже утратили. Обнаружены планеты, на небе которых можно увидеть сразу несколько солнц, и кратные планетные системы возле пульсаров. Есть планеты, обращающиеся вокруг своих звёзд на очень высоких орбитах, и те планеты, которые практически касаются поверхности своего светила. Среди орбит экзопланет встречаются как круговые, так и сильно вытянутые, и всё это - так непохоже на нашу Солнечную систему.

С ростом возможностей наблюдательной техники число планет будет неуклонно расти - в этом нет никаких сомнений. Как и нет сомнений в том, что новые планеты продолжат удивлять исследователей. 20 экзопланет уже признаны максимально похожими на Землю, впрочем, подтвердить такой их статус - дело ещё очень далёкого будущего. Однако всё человечество лелеет одну общую мечту - найти иной мир, который был бы столь же уютен, как наша родная планета. И, конечно же, посетить его когда-нибудь.

По мерцанию света звезды можно определить период обращения планеты вокруг нее, ее приблизительный размер и некоторые другие характеристики. Однако для того, чтобы подтвердить статус планеты для каждого объекта, нужны дополнительные наблюдения при помощи других телескопов.

Первые результаты

Первые результаты работы телескопа ученые получили через полгода после его запуска. Тогда «Кеплер» нашел пять потенциальных экзопланет: Kepler 4b, 5b, 6b, 7b и 8b — «горячих Юпитеров», на которых не может существовать жизнь.

В августе 2010 года ученые подтвердили обнаружение первой планетой системы с более чем одной, а точнее тремя планетами, обращающимися вокруг звезды, — Kepler-9.

Космический телескоп «Кеплер». Иллюстрация: NASA

В январе 2011 года NASA сообщило об обнаружении «Кеплером» первой скалистой планеты, Kepler-10b, размером примерно в 1,4 земного. Однако эта планета оказалась слишком близко к своей звезде для того, чтобы на ней могла существовать жизнь, — в 20 раз ближе, чем Меркурий к Солнцу. Рассуждая о возможности существования жизни, астрономы используют выражение «зона жизни» или «обитаемая зона». Так называют расстояние от звезды, при котором на ней не слишком жарко и не слишком холодно для существования жидкой воды на поверхности.

Тысячи новых планет

Чуть позже в декабре того же года ученые заявили об открытии экзопланет земного размера, Kepler-20e и Kepler-20f, обращающихся вокруг звезды, сходной с Солнцем, хотя и слишком близко к нему, чтобы попасть в зону жизни.

Художественное изображение планеты Kepler-62f. Иллюстрация: NASA Ames/JPL-Caltech/Tim Pyle

В январе 2013 года NASA сообщило о том, что список кандидатов в экзопланеты пополнился еще 461 новыми планетами. Четыре из них по своим размерам не превосходили Землю в два раза и при этом находились в зоне жизни своих звезд. В апреле ученые сообщили об открытии двух планетарных систем, в которых три планеты размеров больше земного находились в обитаемой зоне. Всего в системе звезды Kepler-62 было пять планет, в системе Kepler-69 — две.

Телескоп выходит из строя...

В мае 2013 у телескопа вышел из строя второй из четырех гиродинов — устройств, необходимых ему для ориентации и стабилизации. Без возможности удерживать телескоп в устойчивом положении продолжать «охоту» за экзопланетами стало невозможно. Однако список экзопланет по мере анализа данных, накопленных за время работы телескопа, продолжал пополняться. Так, в июле 2013 года в списке потенциальных экзопланет стало уже 3277 кандидатов.

В апреле 2014 года ученые сообщили об обнаружении планеты земного размера, Kepler-186f, в обитаемой зоне звезды. Она находится в созвездии Лебедя, в 500 световых лет от нас. Вместе с тремя другими планетами Kepler-186f обращается вокруг красного карлика в два раза меньшего, чем наше Солнце.

...но продолжает работу

В мае 2014 года NASA объявило о продолжении работы телескопа. Починить его полностью не удалось, однако ученые нашли способ компенсировать поломку, используя давление солнечного ветра на аппарат. В декабре 2014 года телескоп, работающий в новом режиме, смог обнаружить первую экзопланету.

Планета Kepler-69c в представлении художника. Иллюстрация: NASA Ames/JPL-Caltech/T. Pyle

23 июля 2015 года ученые сообщили о новой порции планет-кандидатов, добавленных в каталог «Кеплера». Теперь их число составляет 4696, а количество подтвержденных планет — 1030, среди них 12 планет не превышают размер Земли более чем в два раза и находятся в зоне жизни своих звезд. Одна из них — Kepler 452b, которая находится от Земли на расстоянии 1400 световых лет и обращается вокруг звезды, которая похожа на Солнце, только на 4% массивнее и на 10% ярче.