Курсовая работа: Экзопланеты: история открытия и современные достижения
Обнаруженная планетная система считается весьма странной. Нейтронная звезда возникает в результате взрыва сверхновой. В момент взрыва звезда теряет большую часть своей массы и возникший пульсар не может удержать рядом с собой планеты, которыми могла обладать массивная звезда. Поэтому маломассивные спутники, обнаруженные рядом с пульсаром RSR1257+12, сформировались после взрыва сверхновой. Но из чего и как – неясно. Подобного рода планеты по причине неясного происхождения считают каким-то неполноценным. К тому же лишь еще у одного далекого пульсара, хотя их открыто уже более 1000, обнаружилось наличие планеты. Последняя оказалась гигантом, в несколько раз массивнее Юпитера.
Метод обнаружения планет имеет под собой следующую физическую основу. Вращающаяся нейтронная звезда – пульсар излучает строго периодические электромагнитные импульсы. Пульсары – чрезвычайно стабильные источники радиосигналов. Поэтому радиоастрономы определяют скорость их движения с точностью до 1 см в секунду.
Гравитационное воздействие планеты приводит к «покачиванию» пульсара и к периодическому прерыванию посылаемого ею радиоимпульса. Открытие первой «настоящей» экзопланеты датируется 1995 годом. В основе открытия – математическая обработка компьютером полученных с помощью телескопа данных наблюдения за движением и светимостью звезды. Оно было сделано астрономами Женевской обсерватории, которые измеряли скорости движения 142 звезд, похожих по своим характеристикам на Солнце и находящихся в «близи» Земли. В результате выяснилось: звезда 51 в созвездии Пегаса, удаленная от Солнца на 50 световых лет, испытывает периодические «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 к звезде поверхность планеты должна быть нагрета до 700 градусов по Цельсию, так сказать, «Горячий Юпитер»! Обнаружились и другие системы, в которых планеты-гиганты образовались очень близко к своей звезде и подобны первооткрывательнице этого списка. Для их обозначения в обиход вошел термин «горячий Юпитер». К 2006 году обнаружено уже свыше 150 таких «горячих Юпитеров».
Следует в тоже время еще раз пояснить смысл термина «поиска планет». Звезды наблюдаются с помощью телескопов, соединенных с компьютером, который управляет процессом согласно созданной для этой цели программе. Регистрируется электромагнитное излучение, испускаемое каждой из наблюдаемых звезд, которое затем анализируется для установления наличия отклонений в их спектре. Например, о присутствии планеты, если наблюдение ведется в видимой части спектра, т.е. фиксируется световой поток, может сигнализировать внезапное увеличение яркости изображения звезды. Причина такого явления может быть связана с гравитационным воздействием планеты на 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 и другие объяснения таких кратковременных вспышек звезд. Поэтому так много было «открытий», которые истинными открытиями так и не стали. И требуются многократные проверки, чтобы исключить всякие сомнения.
Особые старания астрономов направлены на поиск планет, подобных Земле. В августе 2004 года удача улыбнулась группе португальских ученых, работающих в обсерватории Ла Силья в Чили. В созвездии Жертвенника была открыта планета, которая, по мнению исследователей, не является газовым гигантом и имеет твердую поверхность. Планета делает оборот вокруг своего светила за 9.55 суток и находится от него на расстоянии 13 миллионов километров, т.е. вдесятеро меньшим, чем Земля от Солнца. Масса ее оценивается приблизительно в 14 масс Земли, по размеру она соответствует примерно Урану. Планета официально пока безымянная, но ее уже окрестили Суперземлей. Из-за того, что она расположена близко к звезде, температура на поверхности оценивается в 650 градусов по Цельсию, что слишком много для возможности возникновения любой из известных жизненных форм. Ее скорее можно рассматривать как гигантский аналог Меркурия. На научном форуме в июле 2004 года в Стокгольме новое открытие было названо важнейшим после обнаружения в 1995 года первой «настоящей» экзопланеты. В целом обнаружение экзопланет стало одним из крупнейших достижений 20-го столетия. Стало очевидным: Солнечная система не уникальна. Учитывая, что в нашей Галактике порядка 150 миллиардов звезд, вполне возможно, что у половины из них могут быть планеты. Специалисты в тоже время полагают, что несмотря на интенсивное развитие технологий поиска экзопланет, может пройти не менее десяти лет до того, как ученые смогут обнаружить планеты, подобные Земле.
Таким образом, формирование планет рядом со звездами – закономерный этап развития звездных систем. В то же время Солнечная система во многом нетипична. Земля находится в «зоне жизни», т.е. в области умеренных температур на поверхности планеты и обладает биосферой. Такое особое положение Земли связано с тем, что планеты-гиганты Солнечной системы, которые движутся вне «зоны жизни», позволяют существовать длительное время в такой зоне планетам земного типа.
В 2003 году с помощью орбитального телескопа «Хаббл» в созвездии Скорпиона была обнаружена планета, которую можно считать самой древней из известных на сегодняшний день в Млечном Пути. Ее возраст оценивается в 13 миллиардов лет, т.е. она почти втрое старше Земли, которая сформировалась около 4.5 млрд. лет назад. Планету назвали «Мафусаилом» - в честь библейского патриарха, прожившего 969 лет. Это такой же невероятный 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 временной порог образования планет, содержащих тяжелые элементы. В первом поколении звезд тяжелых элементов не было, только водород и немного гелия. По мере того, как звезды, израсходовав свое газовое «топливо», взрывались, их остатки разлетались во всех направлениях, попадая на поверхности соседних звезд. В результате реакций термоядерного синтеза образовывались новые, тоже тяжелые, элементы. «Мафусаил», предположительно, из легких элементов, так как его формирование произошло в те времена, когда во Вселенной не существовало углерода и водорода. Планета обращается вокруг красной звездной системы, состоящей из двух звезд в шаровом скоплении М4, которое находится на расстоянии в 5600 световых лет от Земли. Ее масса в 2.5 раза больше массы Юпитера.
Первая фотография экзопланеты получена в апреле 2004 года на Очень Большом Телескопе (ESO, Чили). В сентябре того же года она была сфотографирована и в инфракрасных лучах. Планета обращается вокруг молодого яркого коричневого карлика, который находится на расстоянии от нас 225 световых лет в созвездии Гидры. Планета в пять раз массивнее Юпитера, ее диаметр в полтора больше, чем у Юпитера. Радиус планеты примерно на треть превышает радиус орбиты Плутона.
В созвездии Пегаса у солнцеподобной звезды HD209458, которая находится от Земли на расстоянии 150 световых лет, имеется экзопланета, получившая имя Осирис в честь египетского бога плодородия. Планета массой 0.69 масс Юпитера и размером в 1.3-1.5 раза больше Юпитера, обращается на очень близкой орбите к звезде на расстоянии 7 млн. км. от нее. Поверхность планеты нагрета звездой до 1000 градусов Цельсия. С помощью телескопа «Хаббл» удалось обнаружить в верхних слоях атмосферы планеты свободные атомы углерода и кислорода.
В силу высокой температуры поверхности планета подобна огромной комете, так как имеет огромный шлейф испаряющихся газов. Как следствие, она постоянно теряет вещество, и в конце концов от нее может остаться лишь небольшое твердое ядро.
Исследование таких «горячих Юпитеров» имеет непосредственное отношение к проверке одной из моделей возникновения малых твердых планет, подобных Земле. Возможно, что наша планета в начальный момент формирования Солнечной системы также была подобием газового гиганта с размерами даже больше Юпитера, но с меньшей плотностью. «Солнечный ветер», возникший в момент, когда в ходе эволюции в ядре молодого Солнца начались интенсивные ядерные реакции, постепенно срывал внешнюю газовую оболочку с Земли и ближайших к ней планет. Земля и планеты земной группы (Меркурий, Марс, Венера) сформировались затем из остатков твердых ядер. Часть их вещества была поглощена нынешними планетами-гигантами, а из оставшегося сформировались многочисленные астероиды и кометы.
В первой трети 20-го века господствовала космологическая гипотеза Джинса. Согласно ей, планетная система Солнца образовалась в результате космической катастрофы, почти столкновения двух 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 мире звезд. Стало также вполне ясно, что требуется от звезды для поддержания жизни в случае возникновения ее на обращающихся вокруг нее планетах.
На роль «сестры» Земли претендует планета, об обнаружении которой летом 2005 года сообщила команда астрономов из университета Санта-Круз в Калифорнии. Она вращается вокруг звезды Gliese 876 в созвездии Водолея и расположена от нас на расстоянии 15 световых лет. Планета находится к своему солнцу в 50 раз ближе, чем Земля к своему. Поэтому температура на ее поверхности составляет 200-400 градусов Цельсия, что не оставляет шансов для наличия воды в жидком состоянии. Но главное заключается в том, что хотя планета меньше 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 время планета такой массы может обладать достаточным притяжением для удержания атмосферы. Американские астрономы подчеркнули, что рассматривают это открытие как 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 2001 году.
Обнаружение коричневых карликов позволило пролить свет на механизмы образования звезд и планет. Звезды судя по всему, образуются посредством гравитационного коллапса межзвездного молекулярного газа, в то время как «создание» планет начинается через скопление пылевых частиц микронных размеров. Это различие в происхождении приводит в конечном счете к тому, что если планеты являются спутниками звезд, то коричневые карлики, находясь в определенной звездной системе, ведут как бы независимый образ жизни.
Согласно ряду оценок, в Галактике имеется около восьми миллиардов подходящих звезд, большинство из которых могут иметь планетные системы. Но подходящей для возникновения жизни может быть далеко не каждая планета. Необходимо выполнение трех основных условий для возникновения аналогов земной формы жизни: достаточно постоянная температура, наличие растворителя наподобие воды, атомы типа атомов углерода, которые способны образовывать сложные цепочки молекул. Вполне возможно представить и другие формы жизни на основе аммиака в океанах или на основе кремния. В этой связи стоить напомнить, что из девяти планет Солнечной системы только одна является примером «живой» планеты.
По мнению ученых, находись Земля всего на 5% ближе к Солнцу, то задолго до того момента, когда могла возникнуть жизнь, она подверглась бы в возрасте 1 миллиарда лет воздействию парникового эффекта, ставшего барьером для развития земных форм жизни. А если бы Земля находилась чуть дальше от Солнца, то как только ее атмосфера 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 возникновения жизни.
Космический телескоп «Хаббл» установил, что спектры излучения трех наиболее удачных от нас квазаров показывают явное наличие большого количества железа. Для телескопов наземного базирования установление такого факта невозможно, так как инфракрасный спектр, характерный для излучения атомами железа, лежит в области длины световой волны порядка 1.6-1.7 микрон. Но именно этот диапазон электромагнитного излучения полностью поглощается земной атмосферой. Астрофизикам известно, что железо появляется в результате специфических звездных процессов, заканчивающихся взрывом сверхновых, которые являются поставщиками тяжелых элементов. Такой период звездной эволюции оценивается в 500-800 млн. лет. Квазары, в спектрах которых обнаружено излучение атомов железа, имеют возраст ~ 900 млн. лет. Этот результат означает, что основные компоненты для образования планет и возможной жизни на них присутствовали очень рано в истории Вселенной – намного раньше, чем возникла Земля.
Но всего лишь пять процентов звезд, подобных Солнцу, как показывают подсчеты, могут иметь планеты, аналогичные Земле.
В сентябре 2005 года были обнародованы результаты наблюдений группы американских астрономов, возглавляемой учеными из Рочестерского университета, за двумя очень молодыми звездами. Одна из них, именуемая GMAurigal, находится от нас на расстоянии 420 световых лет в созвездии Тельца. Другая звезда DMTauri, находится примерно в том же районе. Обе они очень похожи на наше Солнце, только отроду им пока всего лишь один миллион лет. Астрономы установили наличие «щелей» в газопылевых протопланетных дисках у этих звезд. Их наличие свидетельствует о воздействии гигантских планет-эмбрионов, «прорезавших» себе такие «щели».
Есть все основания полагать, что у подобных звезд наблюдается чрезвычайно раннее формирование планет – газовых гигантов. Данные исследования служат подтверждением теории о том, что гигантские планеты, подобные Юпитеру, формируются намного быстрее, чем предполагалось.
По существу, как отмечают исследователи, мы как бы наблюдаем формирование Солнечной системы в далеком прошлом, а звезды GMAurigal – это, фактически, более молодая версия нашего Солнца. И промежутки, «щели» в ее протопланетном диске, по размерам соответствуют тому пространству, которое занимают гигантские планеты Солнечной системы. К сожалению, присутствие зародышей планет земной группы выявить пока не удалось.
История открытия экзопланет
Астрометрический поиск . Первые попытки обнаружить экзопланеты связаны с наблюдениями за положением близких звезд. В 1916 американский астроном Эдуард Барнард (1857–1923) обнаружил, что слабенькая красная звездочка в созвездии Змееносца быстро перемещается по небу относительно других звезд – на 10 угл. секунд в год. Астрономы назвали ее Летящей звездой Барнарда. Хотя все звезды хаотически перемещаются в пространстве со скоростями 20–50 км/с, при наблюдении с большого расстояния эти перемещения остаются практически незаметными. Звезда Барнарда – весьма заурядное светило, поэтому возникло подозрение, что причиной ее наблюдаемого «полета» служит не особенно большая скорость, а просто необычная близость к нам. Действительно, звезда Барнарда оказалась на втором месте от Солнца после системы Альфа Кентавра.
Масса звезды Барнарда почти в 7 раз меньше массы Солнца, поэтому влияние на нее соседей-планет (если они есть) должно быть весьма заметным. Более полувека, начиная с 1938, изучал движение этой звезды американский астроном Питер ван де Камп (1901–1995). Он измерил ее положение на тысячах фотопластинок и заявил, что у звезды обнаруживается волнообразная траектория с амплитудой покачиваний около 0,02 угл. сек., следовательно вокруг нее обращается невидимый спутник. Из расчетов П. ван де Кампа следовало, что масса спутника чуть больше массы Юпитера, а радиус его орбиты 4,4 а.е. В начале 1960-х годов это сообщение облетело весь мир. Но не все астрономы согласились с выводами П. ван де Кампа. Продолжая наблюдения и увеличивая точность измерений, Дж.Гейтвуд (G.Gatewood) и его коллеги к 1973 выяснили, что звезда Барнарда движется ровно, без колебаний, а значит массивных планет в качестве спутников не имеет. Однако эти же работы принесли и новую находку: были замечены зигзаги в движении пятой от Солнца звезды Лаланд-21185. Сейчас получены веские доводы, что вокруг этой звезды обращаются две планеты: одна с периодом 30 лет (масса 1,6 Мю, радиус орбиты 10 а.е.) и вторая с периодом 6 лет (0,9 Мю, 2,5 а.е.). Для подтверждения этого открытия ведутся наблюдения.
Планеты у нейтронных звезд . В конце 1980-х годов несколько групп астрономов в разных странах создали высокоточные оптические спектрометры и начали систематические измерения скоростей ближайших к Солнцу звезд. Эта работа специально была нацелена на поиск экзопланет и через несколько лет действительно увенчалась успехом. Но первыми открыли экзопланету радиоастрономы, причем не одну, а сразу целую планетную систему. Произошло это в ходе исследования радиопульсаров – быстро вращающихся нейтронных звезд, излучающих строго периодические радиоимпульсы. Поскольку пульсары – чрезвычайно стабильные источники, радиоастрономы могут выявлять их движение со скоростью порядка 1 см/с, а значит, обнаруживать рядом с ними планеты с массами в сотни раз меньше, чем у Юпитера. Первое сообщение в журнале «Nature» об открытии планетной системы вокруг пульсара PSR1829-10 (обозначался также PSR1828-11 и PSR B1828-10, современное обозначение PSR J1830-10) сделала в середине 1991 группа радиоастрономов Манчестерского университета (М.Бэйлес, А.Лин и С.Шемар), наблюдающих на радиотелескопе в Джодрелл-Бэнк. Они объявили, что вокруг нейтронной звезды, удаленной от Солнца на 3,6 кпк, обращается планета в 10 раз массивнее Земли по круговой орбите с периодом 6 месяцев. В 1994 в неопубликованном сообщении авторы уточнили, что планет три: с массами 3, 12 и 8 земных и периодами, соответственно, 8, 16 и 33 месяца. Однако до сих пор это открытие не подтверждено независимыми исследованиями и поэтому остается сомнительным.
Первое подтвердившееся открытие внесолнечной планеты сделал польский радиоастроном Алекс Вольцжан (A.Wolszczan), который с помощью 305-метровой антенны в Аресибо изучал радиопульсар PSR 1257+12, удаленный примерно на 1000 св. лет от Солнца и посылающий импульсы через каждые 6,2 мс. В 1991 ученый заметил периодическое изменение частоты прихода импульсов. Его американский коллега Дейл Фрейл подтвердил это открытие наблюдениями на другом радиотелескопе. К 1993 выявилось присутствие рядом с пульсаром PSR 1257+12 трех планет с массами 0,2, 4,3 и 3,6 массы Земли, обращающихся с периодами 25, 67 и 98 сут. В 1996 появилось сообщение о присутствии в этой системе четвертой планеты с массой Сатурна и периодом около 170 лет.
Та легкость, с которой планеты были найдены у первого пульсара, вдохновила радиоастрономов на анализ сигналов и других пульсаров (их сейчас открыто более 1000). Но поиск оказался почти безрезультатным: лишь еще у одного далекого пульсара (PSR 1620-26) обнаружилась планета-гигант в несколько раз массивнее Юпитера. До сих пор планетная система пульсара PSR 1257+12 демонстрирует нам единственный пример планет типа Земли за пределом Солнечной системы.
Считается весьма странным, что вообще рядом с нейтронной звездой обнаружились маломассивные спутники. Рождение нейтронной звезды должно сопровождаться взрывом сверхновой. В момент взрыва звезда сбрасывает оболочку, с которой теряет большую часть своей массы. Поэтому ее остаток – нейтронная звезда-пульсар – не может своим притяжением удержать планеты, которые до взрыва быстро обращались вокруг массивной звезды. Возможно, что обнаруженные у пульсара планеты сформировались уже после взрыва сверхновой, но из чего и как – не ясно. Пока планетные системы нейтронных звезд по причине их непонятного происхождения считают чем-то неполноценным.
Успех Доплер-эффекта: планеты у нормальных звезд. Первую «настоящую» экзопланету обнаружили в 1995 астрономы Женевской обсерватории Мишель Майор (M.Mayor) и Дидье Квелоц (D.Queloz), построившие оптический спектрометр, определяющий доплеровское смещение линий с точностью до 13 м/с. Любопытно, что американские астрономы под руководством Джеффри Марси (G.Marcy) создали подобный прибор раньше и в 1987 приступили к систематическому измерению скоростей нескольких сотен звезд; но им не повезло сделать открытие первыми. В 1994 Майор и Квелоц приступили к измерению скоростей 142 звезд из числа ближайших к нам и по своим характеристикам похожих на Солнце. Довольно быстро они обнаружили «покачивания» звезды 51 в созвездии Пегаса, удаленной от Солнца 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 уже предложено имя – Эпикур).