Загадки космоса. Планеты и экзопланеты - Андрей Мурачёв

Рисунок 12. Кривая блеска звезды HD 209458, полученная командой Дэвида Шарбонно в 2000 году. Провал блеска обусловлен транзитом планеты по диску звезды

Тогда как метод радиальных скоростей позволяет оценить массу планеты, с помощью транзитного метода по величине падения яркости звезды можно рассчитать радиус планеты. Осирис стал первой экзопланетой, у которой вычислили радиус, он равен 1,35 RJ. Помимо этого, транзитный метод позволяет определить ориентацию орбиты планеты относительно наблюдателя с Земли. Если мы смотрим на планету из плоскости эклиптики, то для нас она проходит по самому экватору ее звезды. Но что, если мы смотрим на планету не из плоскости эклиптики? В этом случае чем выше (или ниже) мы находимся по отношению к этой плоскости, тем ниже (или выше) по диску звезды будет проходить для нас планета. Это продолжится до тех пор, пока мы совсем не перестанем видеть планету. Чем ближе орбита планеты проходит к экватору звезды, тем дольше она будет заслонять от нас некоторую часть звездного света и тем длиннее будут транзиты. Сравнивая наблюдаемое время с рассчитанным на основе законов небесной механики, можно вычислить наклон орбиты планеты. Известная ориентация орбиты устраняет неточности в расчетах массы, сделанных с помощью метода радиальных скоростей. С учетом этих поправок масса Осириса равна 0,7 MJ. Такое комбинирование разных методов оказывается очень важным, поскольку точно измеренные масса и радиус планеты дают значение средней плотности, что является ключом к пониманию нового мира. Осирис стал не только первой планетой, обнаруженной транзитным методом, но и первой планетой, у которой определили плотность.

Зная плотность планеты, можно попытаться предсказать условия на ней. Скалистая Земля имеет плотность 5 500 кг/см3, примерно такой же плотностью обладают Меркурий и Венера. Марс наименее плотный из всех планет земной группы: отношение массы к его объему равно 3 900 кг/см3. Плотности газовых гигантов Юпитера, Урана и Нептуна примерно равны 1 500 кг/см3, а плотность Сатурна составляет 70 % плотности воды. Осирис же имеет плотность 370 кг/см3.

В силу близости к своей звезде средняя температура верхних слоев атмосферы Осириса равна 1 100 К, а разность температур на планете днем и ночью составляет примерно 500 К. Из-за этого атмосфера планеты раздувается настолько, что гравитация Осириса уже не может ее удержать, и вещество покидает верхние слои атмосферы со скоростью 100 000 т/с. Давление звездного излучения ускоряет отток газов и формирует кометоподобный хвост58. Планета как бы испаряется.

Температура атмосферы горячих юпитеров может быть еще больше. Планета KELT-9 b[39] – самый горячий из обнаруженных к настоящему времени горячих юпитеров. Сообщение об открытии этой планеты транзитным методом появилось в журнале Nature в 2017 году. Она вращается вокруг своей звезды, имеющей температуру 10 000 К, и находится от нее на расстоянии, равном всего лишь 0,1 от среднего расстояния между Меркурием и Солнцем, или 0,034 а. е. Высокая температура звезды KELT-9 нагревает атмосферу планеты до 4 300 К59, что делает ее даже более горячей, чем некоторые звезды. Из-за этого KELT-9 b больше похожа на звезду K-типа, нежели на газового гиганта. Высокие температуры на дневной стороне планеты не позволяют образовываться молекулам. Возможно, какие-то простые вещества образовываются на ночной стороне, а ионы и атомы железа и титана формируют облака, из которых идут металлические дожди.

Звезда и ее планета обмениваются энергией через приливные силы. Это те же самые силы, которые вызывают приливы на Земле и заставляют Луну поворачиваться к Земле лишь одной стороной. Эти же силы, судя по всему, ответственны за то, что KELT-9 b тоже повернута к родительской звезде только одной стороной, а ее орбита почти круговая. Масса KELT-9 b почти равна 3 MJ, а радиус еe водородной атмосферы близок к пределу Роша, после которого атмосфера уже не может существовать как единое целое, иначе она будет разрушена приливными силами. Вероятно, из-за этого KELT-9 b теряет атмосферу и за ней в пространстве, как и за Осирисом, словно за кометой, тянется хвост газа.

На конференции 30 октября 2018 года ученые NASA сообщили журналистам, что миссия телескопа «Кеплер» завершена, так как он исчерпал все запасы топлива, необходимые для периодической коррекции его положения в пространстве. К этому времени он отработал девять с половиной лет вместо положенных ему по спецификации трех с половиной. «Кеплер» обнаружил более двух с половиной тысяч экзопланет, и еще тысячи объектов, зафиксированных им, ждут проверки. Завершение миссии не стало сюрпризом. Еще в марте того же 2018 года было объявлено, что запасы топлива близки к истощению. К этому моменту два из четырех гироскопов, контролировавших положение телескопа в пространстве, вышли из строя. Последняя поломка произошла в мае 2013 года, и некоторое время «Кеплер» бездействовал, будучи неспособным ориентироваться в пространстве на должном уровне. Но инженеры NASA нашли уникальный выход из ситуации – то, что они сделали, можно назвать инженерным чудом: в 2015 году телескоп стабилизировали относительно солнечного ветра, оказывающего небольшое, но постоянное давление в одну сторону. А два оставшихся гироскопа устраняли неизбежный при таком положении дрейф. Так телескоп проработал еще три года. Операцию назвали «Второй свет» по аналогии с термином «первый свет».

1. Телескоп «Кеплер»

2. Сравнение размеров Осириса и Юпитера

3. Телескоп TESS

В апреле 2018 года на замену «Кеплеру» с космодрома на мысе Канаверал на ракете-носителе Falcon 9, принадлежащей частной компании SpaceX, в космос запустили другого охотника за экзопланетами – телескоп TESS. Он выполняет ту же задачу, которая стояла перед телескопом «Кеплер», и использует тот же метод, что использовал «Кеплер». Кроме того, оба телескопа имеют похожие размеры и массу, однако дальше начинаются различия.

Телескоп «Кеплер» обращался вокруг Солнца по чуть более высокой орбите, чем орбита Земли, и поэтому всегда находился в земной тени. В 2009 году наши знания об экзопланетах были очень скромны[40], и задача телескопа состояла лишь в том, чтобы следить за светом от как можно большего числа звезд, собирая статистику по типам и орбитам внесолнечных планет, которые удастся обнаружить. Ученые выбрали для наблюдения область пространства в созвездии Лебедя, что находится выше галактической плоскости. Тем самым камеры телескопа избегали засветки от центральной части нашей галактики, где плотность звезд наиболее высока. «Кеплер» следил за почти 145 000 звезд, находящихся на расстоянии до 3 000 св. лет от нас (это всего около 3 % диаметра Галактики). Число триллион, когда речь идет о количестве планет в нашей галактике, и классификация экзопланет по типам являются экстраполяцией знания, полученного из этой небольшой, но представительной выборки.