Как мы находим планеты вокруг других звезд?
- Двумя основными методами поиска экзопланет являются метод лучевой скорости и метод транзита
- Метод определения радиальной скорости основан на эффекте Доплера и гравитационной силе между звездой и ее планетой
- Метод транзита основан на наблюдении за тем, как планета проходит перед своей звездой, блокируя часть падающего света, который может быть обнаружен с Земли
С тех пор как человечество пришло к осознанию того, что Земля - одна из многих планет, мы мечтали о возможности существования миров вокруг других звезд. В конце концов, наше солнце - всего лишь одна из более чем 100 миллиардов других звезд только в нашей галактике, и кажется маловероятным, что мы были бы единственной солнечной системой во Вселенной. Как оказалось, их гораздо больше. Первая планета, открытая вокруг другой звезды, была обнаружена в 1995 году, когда группа астрономов объявила об открытии планеты размером с Юпитер, вращающейся вокруг солнцеподобной звезды 51 Пегаса. С тех пор, менее чем за 30 лет исследований, ученые подтвердили существование еще более 3000 планет. Фактически, астрономы теперь считают, что формирование планет является частью звездообразования, а данные свидетельствуют о том, что каждая звезда является домом по крайней мере для одной планеты. Поиск планет вокруг других звезд, называемых экзопланетами, - задача не из легких. Планеты крошечные и тусклые по сравнению со своими звездами-хозяевами, и поэтому прямое изображение их просто не сработало бы при современных технологиях. Вместо этого астрономам приходится полагаться на косвенные методы обнаружения.
Метод радиальной скорости
Чтобы найти экзопланеты, астрономы полагались в основном на два метода: метод лучевой скорости и метод транзита. Для того чтобы понять первый метод, важно понять концепцию эффекта Доплера. Эффект Доплера описывает, как ведут себя как звуковые, так и световые волны в зависимости от движения их источника. Например, когда к вам мчится полицейская машина, вы можете услышать, как звук ее сирены усиливается по мере приближения к вашему местоположению. Как только он проезжает мимо вас и начинает ускоряться, вы слышите, как звук его сирены уменьшается. Причина, по которой высота звука увеличивается, когда сирена приближается к вам, заключается в том, что движение автомобиля сжимает звуковые волны перед ним. Когда он ускоряется вдали от вас, звуковые волны тянутся за ним. Уменьшение расстояния между гребнями волн означает, что вы слышите больше звука за более короткий промежуток времени, следовательно, высота звука увеличивается. Увеличение расстояния между гребнями волн приводит к снижению слышимости за тот же период времени. Удивительно, но этот принцип применим и к свету, поскольку он тоже приходит в форме волны. В случае света именно цвет меняется в зависимости от его длины волны, хотя это, как правило, заметно только при экстремальных скоростях. Предположим теперь, что та же самая полицейская машина мчится к вам со скоростью 70% скорости света. Когда автомобиль приближается к вам, свет впереди автомобиля сжимается и смещается в синий цвет, в то время как свет позади него растягивается и смещается в красный цвет. Таким образом, свет с более короткой длиной волны является синим, в то время как свет с более длинной длиной волны является красным. Эффект Доплера кажется достаточно простым, и, к счастью для астрономов, его можно использовать для обнаружения планет вокруг других звезд.
В нашей солнечной системе гравитационного притяжения Солнца достаточно, чтобы удерживать все планеты на орбите. Хотя мы думаем, что планеты вращаются вокруг Солнца, в этом факте есть еще один аспект, который поистине удивителен. Поскольку планеты тоже обладают собственной гравитацией, они тоже притягиваются к солнцу. Точка в пространстве, где вращаются и солнце, и интересующая нас планета, называется центром тяжести или барицентром. Поскольку гравитация Солнца очень сильна, барицентр между солнцем и большинством планет существует внутри самого солнца. Однако это не относится к Юпитеру и солнцу. Скорее всего, барицентр между Солнцем и Юпитером находится немного за пределами поверхности Солнца. Это означает, что и солнце, и Юпитер вращаются вокруг точки, которая существует вне солнца. Другими словами, солнце также вращается вокруг барицентра. Поскольку солнце тоже движется, это означает, что эффект Доплера будет применяться к свету, который оно излучает. Если бы вы наблюдали за нашей солнечной системой с расстояния многих световых лет, вы могли бы измерить доплеровское смещение солнечного света и использовать его, чтобы определить, находится ли планета на орбите вокруг Солнца. Удивительно, но этот метод также можно использовать для оценки массы планеты, того, как далеко она находится от своей звезды и сколько времени требуется для завершения одной орбиты. Хотя этот метод кажется достаточно простым, важно отметить, насколько чувствительной должна быть технология для измерения доплеровского сдвига чего-то, что движется со скоростью, близкой к скорости света. Это чрезвычайно сложно, и хотя астрономы предложили этот метод много десятилетий назад, только в 1990-х годах он был успешным в обнаружении первой экзопланеты.
Транзитный метод
В первые дни поиска экзопланет метод лучевой скорости был основным методом обнаружения экзопланет. Однако у этого метода есть некоторые очень очевидные проблемы. А именно, это смещает исследования в сторону газовых гигантов, находящихся на близких орбитах. Было бы очень трудно найти меньшие миры, вращающиеся вокруг обитаемой зоны их звезды. Таким образом, были необходимы новые методы, если мы когда-нибудь надеялись найти миры, подобные нашей Земле. К счастью, новый метод вскоре станет основным инструментом поиска экзопланет. Называемый методом транзита, он основан на обнаружении изменений количества света, излучаемого звездой, когда планета проходит перед ним. Даже в нашей солнечной системе нам иногда посчастливилось увидеть, как Меркурий или Венера проходят перед Солнцем во время транзита. Мы можем наблюдать это только для планет, которые вращаются ближе к солнцу, чем мы. Хотя это легко наблюдать и измерять в нашей солнечной системе, гораздо сложнее наблюдать падение звездного света, когда эта звезда находится на расстоянии многих световых лет. По сравнению со звездой, вокруг которой она вращается, экзопланеты чрезвычайно малы и блокируют лишь малую часть испускаемого звездного света. К счастью, ученые разработали телескопы, основная цель состоит в том, чтобы использовать транзитный метод для обнаружения экзопланет, наиболее заметной из которых является космический телескоп "Кеплер". Запущенный в 2009 году, Kepler в настоящее время подтвердил существование почти 3000 отдельных экзопланет в пределах нашей галактики, и еще сотни ожидают подтверждения. Чтобы обнаружить экзопланеты, Кеплер наблюдает за звездами и ждет, не блокирует ли какой-либо звездный свет проходящая планета. Если Кеплер наблюдает, что одинаковое количество звездного света блокируется в течение определенного периода времени, это обычно означает, что была обнаружена новая планета. Подавляющее большинство известных экзопланет было открыто Кеплером, который сам по себе показал, что планет гораздо больше, чем астрономы могли себе представить.
