Тайны далеких экзопланет

Помните старые добрые времена, когда у нас было всего девять планет? С тех пор прошло всего-то тридцать лет, но мир успел измениться до неузнаваемости: в планетарных рядах Солнечной системы убыло, когда крошку Плутона разжаловали в статус карлика, но взамен астрономы открыли тысячи и тысячи экзопланет вне пределов нашего звёздного дома. Человечество вглядывается в космос в поисках рая — тихих планет, подобных Земле. Но раз за разом находит лишь адские миры, в которых жизнь невозможна.

Бесчисленные невидимки

Галактик во Вселенной больше, чем песчинок в Сахаре. Если учесть, что каждая галактика содержит от нескольких миллионов до сотен миллиардов звёзд, на просторах обозримой части Вселенной разбросано просто невыговариваемое число светил — для удобства его принято называть септиллион, или «1 с 24 нулями». Сегодня подобное жонглирование необъятным стало обыденностью, любой научпоп-ресурс предложит с десяток вариаций пересчёта вселенских масштабов на простой язык. Но, как бы дико это ни звучало, ещё в начале прошлого столетия человечество даже не знало о существовании иных галактик! Лишь в середине 20-х годов, когда американский космолог реформатор Эдвин Хаббл обнаружил, что туманности Андромеды и Треугольника состоят вовсе не из газа и пыли, а из звёзд, образующих спиральные структуры, учёные осознали, что мироздание не заканчивается на Млечном Пути. С тех пор удивить обывателя космосом стало непросто. Пока на небосклоне не взошли они — экзопланеты.

По определению, экзопланеты — это газовые или каменистые небесные тела, располагающиеся за пределами нашей системы, вне гравитационной «юрисдикции» Солнца. Почему просто не сказать, что они вращаются вокруг иных звёзд? Это было бы не совсем корректно, и вот почему. Системы с планетами — скорее правило, чем исключение. Тем не менее большинство известных звёзд, независимо от спектрального типа и сложности системы, в среднем дают приют 3—5 крупным планетам. На основании известных данных о фундаментальных взаимодействиях и космической эволюции космологи пришли к выводу, что число планет теоретически превышает количество звёзд в 100, а то и в 100 000 раз. Сопоставив эти факты, можно сделать вывод, что необъятные просторы Вселенной бороздят сонмы осиротевших планет— миров-изгоев, выброшенных за пределы родительской системы в процессе формирования или в результате межзвёздных столкновений. Цифры кажутся невероятными, но всё довольно прозаично. В 2006 году Международный астрономический союз — тот самый, что поставил крест на карьере Плутона, — впервые дал универсальное геофизическое определение термину «планета». Отныне планетами считаются не являющиеся спутниками объекты, способные силами гравитации расчистить свою орбиту от других объектов и поддерживать форму близкую к сферической. В одной только Солнечной системе есть сотни или даже тысячи (если учесть количество неизученных транснептуновых объектов) вчерашних астероидов, отвечающих критериям карликовых планет. А ведь Солнце — далеко не самая массивная звезда, сформировавшаяся в относительно спокойном регионе космоса, где строительного материала было не много. Так что 100 000 планет на одну звезду — вполне трезвая цифра.

Классификация

При такой численности планетарного «поголовья» разнообразие размеров, физических свойств и химического состава экзопланет в разы превышает то, что мы можем наблюдать в собственной Солнечной системе. Но есть и сходные закономерные черты, по которым их можно классифицировать. Наиболее широкое распространение получили две системы — по массе и по температуре.

По массе все планеты делятся на три типа: юпитеры (газовые гиганты), нептуны (небольшие газовые планеты) и твердотельные земли.

Вторая система несколько сложнее. Она была разработана астрофизиком Аризонского университета США Давидом Сударским на основе взаимозависимости состава атмосферы и температуры внешних слоев. По Сударскому, все газовые экзопланеты делятся на пять классов. К классу I относятся самые холодные аммиачные гиганты с температурой ниже – 120°С

Так как характерными представителями данного типа являются Юпитер и Сатурн, аналогичные внесолнечные планеты внешне очень на них похожи. Далее следуют планеты класса II с водными облаками, чья средняя температура колеблется в пределах – 20 °С. Присутствие большого количества газообразного льда, метана и водорода вырисовывает на лице таких объектов характерный «отпечаток пальца» в виде облачных полос — чётко выраженных, хотя и не таких рваных, как рисунок бурных, изрытых ураганными оспинами атмосфер планет с более экстремальными температурами. Безоблачные тела класса III похожи на Уран или Нептун — высокое содержание метана и разогрев до 530 °С не позволяет конденсироваться облакам, из-за чего атмосфера приобретает вид мягко подсвеченной непрозрачной дымки. Когда температура верхних слоев поднимается до 630 °С и выше, содержание метана падает. Он буквально выгорает, уступая место углекислому газу, из-за чего атмосфера становится мутно-серой с лёгким розоватым отблеском. Примерно так выглядят экзопланеты класса IV. Но самыми горячими считаются планеты класса V с кремниевыми облаками. Их температура может достигать тысяч градусов по Цельсию. Камни и тяжёлые металлы, не выдержав перегрева, испаряются, из-за чего атмосферы подобных планет насыщены газообразным железом и силикатами. Они светятся красно-оранжевым светом, но за блеском родительских звёзд разглядеть его не представляется возможным.

Трудности поиска

В целом обнаружение экзопланет подобно поиску бисера в космическом стоге — это очень сложный и кропотливый процесс. Разрешающие возможности телескопов не бесконечны. Чтобы найти небольшие объекты в глубоком космосе, учёным пришлось разрабатывать особые методики исследований. Самыми результативными оказались спектральный метод на основе эффекта Доплера, транзитный метод и гравитационное микролинзирование.

За последние годы объём фактически открытых инопланетных систем существенно возрос, что позволило учёным выделить 20 распространённых типов газовых экзопланет и каменистых миров. Наиболее многочисленными из них считаются так называемые горячие юпитеры (раскалённые газовые гиганты, расположенные очень близко к звёздам), «холодные юпитеры» (двойники нашего царя планет) и суперземли (твердотельные планеты в несколько раз крупнее Земли). Но попадаются и по-настоящему уникальные монстры.

Фантастические миры

Температура поверхности планеты во многом зависит от близости к звезде — это понятно. Вот только иногда сердце звезды-родительницы может быть настолько горячим, что её планетарным чадам не позавидуешь. Один из таких «опалённых любовью» миров — газовый гигант KELT-9 b из созвездия Лебедя, самая горячая из известных экзопланет. Температура её поверхности равна 4300 °С, так что она может посоперничать с некоторыми звёздами. Из-за колоссального перегрева планета буквально испаряется и однажды совсем исчезнет.

Но KELT-9 b хотя бы сохранила способность вращаться вокруг своей оси, в этом плане суперземле CoRot-7 b повезло гораздо меньше. Будучи связанной приливным взаимодействием со своей звездой, как Луна с Землёй, CoRoT-7 b постоянно обращена одной стороной к светилу, вследствие чего одно её полушарие раскалено до 2600 °С и фактически покрыто лавой, а на другом царит вечный мороз в – 200 °С.

Планета TrES-2 b — ещё одна уникальная жертва светила. Хотя температура её поверхности не так велика, «всего» 980 °С, высокое содержание паров натрия, калия, титана и углерода в атмосфере делают её самым тёмным объектом из обнаруженных. Измерения показали, что TrES-2 b отражает менее 1% падающего на него света. Сажа «блестит» ярче.

После самых горячих планет логично вспомнить самую холодную. На сегодня этот почётный статус носит сверхземля OGLE-2005-BLG-390L b из системы красного карлика в созвездии Скорпиона. Температура её поверхности составляет -225 °С, что всего на 48 °С выше абсолютного нуля. По совместительству эта экзопланета считается самой удалённой от Земли, нас с ней разделяют 25 тыс. световых лет.

Среди разномастных модификаций ада попадаются и истинные сокровища. И это на самом деле буквально. Так, сверхземля P5R J1719-1438 b из созвездия Змеи, как скупо описывают её исследователи, «состоит преимущественно из кристаллического углерода, образовавшегося в процессе угасания пульсара». Проще говоря, вся планета — гигантский алмаз, в прошлом бывший звездой. Вот только по-быстрому разбогатеть за счёт драгоценной планеты не получится. Сначала придется, как минимум, преодолеть 4000 световых лет, отделяющих алмазный мир от Солнечной системы. Дело это затратное, поэтому для начала можно сколотить стартовый капитал, слетав на расположенный в 4 раза ближе НАТ-Р-7 Ь, и разжиться рубинами и сапфирами, выпадающими на этой планете в виде дождя.

А вот зкзопланета J1407 b не горяча и не холодна, не так уж огромна и не очень далека — она просто прекрасна. Мы восхищаемся Сатурном и его семью изящными кольцами, называем его драгоценным камнем в короне Солнечной системы. Если так, то J1407 b — бриллиант среди стекляшек. У J1407 b 37 колец, общая протяжённость которых в 200 раз превосходит диаметр сатурнианского достояния. Великолепный окольцованный газовый гигант, несостоявшийся коричневый карлик, располагается в созвездии Центавра, всего в 434 световых годах от нас. Его обнаружение стало первым косвенным доказательством того, что у экзопланет могут быть спутники.

Едва успела выстроиться обновлённая картина мироздания, Вселенная подкинула учёным новую загадку. В декабре 2019 года астрономы сообщили об открытии принципиально нового типа экзопланет — настолько необычных, что для объяснения их возникновения, похоже, снова придётся пересматривать теорию эволюции звёздных систем.

Всё только начинается

Ещё в 2012 году орбитальный телескоп «Хаббл» обнаружил в созвездии Лебедя на расстоянии около 2814 световых лет от Земли солнцеподобную звезду Kepler-51, вокруг которой вращаются минимум три крупные планеты.

Находка сразу же привлекла повышенное внимание астрономов. Ещё бы: наличие стабильной звезды спектрального класса «жёлтый карлик» (точь-в-точь как наше Солнце) и сразу трёх планет в «зоне Златовласки», где есть все условия для существования жидкой воды, — мощнейший задел на обнаружение потенциально обитаемого мира. Годы наблюдений и перепроверок не прошли даром: исследователей действительно ждало сенсационное открытие, хотя и не то, на которое они рассчитывали.

На планетах системы Kepler-51, как выяснилось, нет ни капли воды, но сами они представляют собой нечто невероятное. Соотношение их масс и размеров создаёт впечатление, будто все три газовых гиганта сделаны из… сахарной ваты. Новые питомцы планетарного зоопарка получили название суперпуфы (superpuffs). При плотности, не превышающей 0,1 грамма на кубический сантиметр, это самые легкие из всех когда-либо обнаруженных экзопланет. Как и почему они образовались — загадка. Не ясны и процессы, протекающие в их атмосферах. Единственное, что удалось выяснить на данном этапе исследований, так это состав невесомых планет — он представлен гелиево-водородной смесью с небольшой примесью метана. Астрономы не спешат с выводами, тем более что сама звёздная система ещё очень молода. Ей всего 500 млн лет (для сравнения, возраст Солнца — примерно 4,5 млрд лет), поэтому нынешнее строение удивительных планет может быть лишь промежуточной стадией формирования. Однако это лишний раз доказывает, что разнообразие планет, которые вращаются вокруг других звезд, гораздо больше, чем мы когда-либо предполагали.