Загадки космоса. Планеты и экзопланеты - Андрей Мурачёв

К 1995 году Майор и Кело провели еще серию наблюдений. Ошибки они все же не нашли – можно было публиковаться. И 23 ноября 1995 года в Nature появилась статья с описанием открытия за их авторством54. Впоследствии этой планете дали имя Димидий. За обнаружение первой планеты у солнцеподобной звезды Мишель Майор и Дидье Кело получили в 2019 году Нобелевскую премию. Нобелевский комитет не изменил себе – ученые ждали свою награду многие годы.

Планета у 51 Пегаса оказалась не единственным исключением из «правил». Уже в 1996 году методом радиальных скоростей были открыты еще пять планет – и все они оказались газовыми гигантами на близких к своим звездам расстояниях. При таких расстояниях их газовые оболочки должны иметь температуру, измеряющуюся тысячами градусов. Астрофизики назвали этот класс планет «горячие юпитеры». Пройдут годы, закончится XX век, мы вступим в новое тысячелетие, и станет ясно, что в Галактике много таких планет.

Начиная с середины 90-х годов и до 2012 года доплеровская спектроскопия оставалась самым продуктивным способом обнаружения экзопланет. Три четверти из них имеют массу от 0,5 до 13 MJ. Более 40 % – это горячие юпитеры, и находятся они на меньшем расстоянии от своих звезд, чем Земля от Солнца, а их масса равна от 0,5 до 10 MJ.

Что же это значит? Огромное число планет в нашей галактике принадлежит к типу планет, который не встречается в Солнечной системе? Как такое возможно?

То, что астрофизики повсюду находят горячие юпитеры, объясняется прежде всего так называемым эффектом наблюдательной селекции. Очень массивные и близкие к родительской звезде, горячие юпитеры вызывают колебание ее радиальной скорости выше порога чувствительности современных инструментов и поэтому могут быть зафиксированы. Короткие орбитальные периоды, от нескольких дней до нескольких месяцев, тоже способствуют обнаружению планет – будь периоды больше, например сопоставимыми с орбитальным периодом Юпитера (12 лет), колебания радиальной скорости наверняка остались бы незамеченными.

Горячие юпитеры стали лучшими целями для телескопов рубежа веков. Например, в 2011 году была открыта планета WASP-43 b[38], находящаяся на орбите с радиусом немногим больше двух миллионов километров от своей звезды (это примерно равно расстоянию от Земли до Луны, умноженному на 5,5). Год на этой планете длится всего 19 ч., масса составляет 1,8 MJ, а радиус на 10 % меньше радиуса Юпитера. Это одна из самых короткопериодических экзопланет среди известных нам на сегодня. Звезда WASP-43 принадлежит к классу оранжевых карликов – это маленькие и относительно легкие звездочки. Температура ее поверхности приблизительно равна 4 400 К (для сравнения: температура поверхности Солнца 5 700 К). Из-за того что звезда имеет не очень высокую температуру, температура верхних слоев WASP-43 b оказывается типичной для такого класса планет – примерно 1 000 К.

Сейчас, после того как астрономы собрали внушительную статистику по экзопланетам, оказалось, что горячие юпитеры достаточно редки в Галактике – их находят рядом всего с 1 % солнцеподобных звезд55. Ситуация с обилием горячих юпитеров изменилась, когда были обработаны результаты, переданные на Землю телескопом «Кеплер». Этот телескоп пробыл на орбите с 2009 по 2018 год. В последний для «Кеплера» год состоялся запуск еще одного космического телескопа – TESS. Оба телескопа используют транзитный метод обнаружения экзопланет – на сегодняшний день это самый эффективный метод.

Если вы знаете, что такое затмение, будьте уверены: что такое транзит, вы тоже знаете. «Затмение», «транзит» и «покрытие» – это разные слова для обозначения схожих явлений, происходящих, когда один астрономический объект проходит между наблюдателем и другим объектом (как правило, более далеким и более ярким). Разница между этими явлениями – в наблюдаемых размерах объектов. Если угловые размеры двух объектов сопоставимы, мы говорим о затмении одного объекта другим – например, как в случае с солнечным затмением. Если видимый размер более далекого объекта оказывается намного меньше видимого размера более близкого, это явление называется покрытием. Постоянно происходят покрытия некоторых звезд Луной. Обратная ситуация называется транзитом: скажем, когда самолет пролетает на фоне Луны, он совершает транзит.

Транзиты исторически были важны в астрономии, так как позволяли находить расстояние между Солнцем и Землей. Впервые транзит Венеры по Солнцу собирался наблюдать Иоганн Кеплер. Но ему не удалось – он умер за шесть лет до этого события. Однако благодаря работам Кеплера транзит смог увидеть английский астроном Джереми Хоррокс в 1639 году. Наблюдал транзит Венеры по диску Солнца и Джеймс Кук в своем кругосветном путешествии. Последний транзит Венеры произошел в 2012 году.

Что касается других звезд, Отто Струве был, по-видимому, первым, кто предположил, что периодические временные падения яркости звезды могут свидетельствовать о наличии обращающейся вокруг нее планеты. Потребовалось почти 50 лет, чтобы подтвердить эту гипотезу. Первое успешное наблюдение транзита удалось провести только в самом конце XX века.

Есть две ключевые даты, касающиеся транзитного метода обнаружения внесолнечных планет: декабрь 1999 года, первое детектирование планеты HD 209458 b с помощью этого метода, и апрель 2009 года, когда в космос был отправлен охотник за экзопланетами «Кеплер», принесший в копилку человеческих знаний тысячи подтвержденных экзопланет за почти десять лет работы. Два этих события, произошедшие с перерывом в 10 лет, положили начало революции наших представлений о Галактике и о разнообразии внесолнечных миров.

HD 209458 b – газовый гигант в созвездии Пегаса (того самого, в котором был найден первый горячий юпитер), находящийся на расстоянии 159 св. лет от нас. Он совершает полный оборот вокруг своей звезды по орбите, диаметр которой равен примерно 1/8 диаметра орбиты Меркурия, раз в 3,5 земных суток. Это типичный горячий юпитер с температурой атмосферы 1 000 К, вращающийся вокруг звезды, очень похожей на наше Солнце. Изначально экзопланета была обнаружена методом радиальных скоростей с помощью спектрографа ELODIE, но в том же году две команды, работающие независимо, – первая из Великобритании (Кембридж), вторая из США (Университет штата Теннесси) – решили попробовать подтвердить ее существование с помощью транзитного метода. Несмотря на все сложности, ожидавшие ученых, они смогли наблюдать падение яркости HD 209458 примерно на 2 % каждые 3,5 суток. Две статьи об этом появились в одном и том же выпуске The Astrophysical Journal в декабре 1999 года56, 57. Таким образом, HD 209458 b в 2010-х годах стала самой изученной юпитероподобной экзопланетой. Она даже получила настоящее, нетипичное для экзопланет имя – Осирис.