Что мы узнали, открыв первые 5000 экзопланет

В марте 2022 года человечество прошло важную веху в своём познании Вселенной. Во все времена разумные приматы смотрели в небо и удивлялись бессчётному количеству мелких огоньков, рассыпанных по небосводу. Многие догадывались, что эти огоньки суть то же, что и наше Солнце, только находятся они гораздо дальше от нас. Но никто не знал точно, является ли наша Солнечная система какой-то особенной. Есть ли планеты у других звёзд? У какого процента звёзд они есть? Сколько этих планет? Есть ли планеты, похожие на нашу, или же они сильно отличаются от неё?

Ответы на эти вопросы мы начали получать всего около тридцати лет назад, когда наши новые инструменты, наконец, позволили нам начать находить планеты, движущиеся по орбитам вокруг других звёзд – экзопланеты. И вот сегодня мы перешагнули рубеж ^[1] в 5000 известных нам экзопланет, открытых различными методами: измерением радиальной скорости, тайминга, транзитным методом и через гравитационное микролинзирование. Как всегда, открытия дали нам ответы на множество вопросов, но не на все.

В начале 1990-х годов, ознаменовавших новую эру в астрономии и космологии, почти одновременно появилось два новых метода, позволивших нам находить планеты, находящиеся за пределами Солнечной системы.

Во-первых, астрономы измеряли периодические импульсы, испускаемые нейтронной звездой. Эти импульсы регулярно ускорялись, возвращались к нормальной скорости, потом замедлялись, потом снова возвращались – и так постоянно. Постоянный период и амплитуда изменений недвусмысленно говорили о том, что у этих пульсаров есть массивные компаньоны. Измерив временные характеристики этих импульсов, мы смогли найти массы этих компаньонов – это определённо были планеты.

Во-вторых, астрономы замечали периодические смещения света определённых звёзд то в красную, то в синюю часть спектра. Это тоже говорило о наличии у них массивных планет, «дёргающих» свои звёзды туда-сюда силой гравитации, в результате чего они постоянно колебались. Такие колебания можно заметить, если диск вращения планеты параллелен линии нашего взгляда на звезду – тогда звезда периодически удаляется или приближается к нам.

Методы были непрямые (непосредственно сами планеты мне не видели, и их характеристики измерить не могли), но надёжные. Лет 15 учёные называли такие планеты «экстрасолнечными», но потом прижился более удобный термин – «экзопланета».

Разбивка открытых экзопланет по годам и по методам. В первые 15 лет преобладал метод радиальной скорости, затем его место занял транзитный метод. В будущем мы перейдём на микролинзирование.

На сегодня у нас имеется уже пять методов, успешно позволивших нам как открывать экзопланеты, так и получать информацию о некоторых из их свойств:

• Время транзита: работает со звёздами, испускающими регулярные и периодические сигналы, типа пульсаров. Чем регулярнее сигнал, тем проще нам выявить отклонения этого сигнала от прибытия к нам. Также нужно, чтобы время, за которое планета оборачивается вокруг конкретной мёртвой звёзды, было меньше того времени, которое мы за этой звездой наблюдаем.
• Радиальная скорость: ^[2] планета и её звезда вращаются вокруг общего центра масс. Не только планета движется по эллиптической орбите, но и звезда – хотя орбита последней, конечно, гораздо меньше, и движется она медленнее (из-за разницы масс). Если планета достаточно массивна и расположена достаточно близко к своей звезде, это движение можно засечь.
• Прямое наблюдение: самый интересный метод – ведь только он позволяет улавливать фотоны, дающие «изображение» самой экзопланеты. Правда, он же и самый сложный. Экзопланета должна быть крупной, яркой (в смысле отражённого света), находиться достаточно далеко от своей звезды, чтобы не быть засвеченной, и достаточно близко к Земле, чтобы её можно было увидеть в телескоп.
• Транзитный метод: ^[3] самый успешный на сегодня, хотя первую экзопланету с его помощью нашли только в 2004-м. Если достаточно следить за количеством света, испускаемого звездой, то при определённом везении одна из её планет пройдёт между нами и ею, в результате чего на графике свечения появится небольшой провал. Если этот провал повторяется регулярно и с одинаковой амплитудой – у звезды есть планета. Работает только с крупными планетами, проходящими по диску звезды достаточно часто, и только если её орбита идеально выровнена на линии, соединяющей нас с её звездой.
• Микролинзирование: ^[4] работает, если во время наблюдения за звездой между ею и нами проходит некий массивный объект. Присутствие массы искривляет пространство, а вместе с ним искривляется и путь света, идущего от звезды и планеты. Эта масса работает как линза и не блокирует свет, а усиливает его, искажая при этом. Позволяет находить не только экзопланеты, движущиеся по орбитам вокруг звёзд, но и «свободные» планеты, или планеты-сироты.

Все эти методы в совокупности, у каждого из которых есть свои недостатки, позволили нам обнаружить уже более 5000 экзопланет.

Когда-то мы считали, что Солнечная система не должна быть какой-то особенной, и что все планеты разделяются на пару-тройку категорий – каменистые, типа наших внутренних планет, и газовые гиганты, вроде Юпитера, с подкатегориями вроде ледяных гигантов, в которую попадают Уран с Нептуном.

По результатам наблюдений за экзопланетами оказалось, что большая часть их имеет значительную массу и небольшой период обращения вокруг звёзд, а по размеру попадает где-то в серединку между Землёй и Юпитером. 35% экзопланет, скорее всего, похожи на Нептун, а 31% — это каменистые планеты размером больше Земли, т.н. «суперземли». 30% попадает в категорию газовых гигантов, и всего 4% больше похожи на нашу.

Расположение найденных экзопланет на карте неба

У карты найденных экзопланет (выше) есть три странных особенности. Большая их часть рассеяна по небу, но есть одно скопление планет, которое на карте выглядит, как очень жирный «плюс». Просто именно на этом участке неба фокусировался космический телескоп Кеплер, изучавший один из спиральных рукавов нашей Галактики. Он три года наблюдал за 150 000 звёзд, и примерно половина из известных экзопланет найдена именно тут.

Другие скопления найденных экзопланет на карте сформированы миссиями К2 и TESS – последняя продолжается и поныне.

Ещё одно скопление планет расположено близ центра Галактики. Их начали открывать совсем недавно благодаря микролинзированию. Теоретически, экзопланеты должны быть повсюду – просто мы находим их чаще в тех местах, за которыми дольше наблюдаем, и которые проще изучать. Эта карта не является иллюстрацией частоты распределения экзопланет. Сейчас считается, что планеты должны быть почти у всех звёздных систем – по меньшей мере, в 80% из них.

Распределение планет, открытых разными методами, по массе и периоду обращения.

Самый сложный на сегодня вопрос, как ни странно – сколько планет существует в нашей Галактике. И причина даже не в том, что мы точно не знаем, у скольких звёзд есть планеты, или сколько планет есть у каждой звезды. Да, в этих данных есть погрешности, не говоря уже о том, что мы пока плохо умеем находить планеты, находящиеся далеко от своих звёзд. Чтобы обнаружить такие экзопланеты, нам надо либо кардинально улучшить технологию прямого наблюдения за ними, либо проводить куда как более долгие и тщательные наблюдения за звёздами для использования транзитного метода и метода радиальной скорости. Пока что считается, что в средней звёздной системе присутствует от 4 до 20 планет.

Но гораздо больше вопросов связано с планетами, расположенными вне звёздных систем. Большинство звёздных систем, не исключая и нашу, должны были вышвырнуть наружу значительное количество планет или прото-планет в процессе своего формирования. Кроме того, нам практически ничего не известно о том, сколько существует «недоделанных» звёздных систем. Сколько в нашей Галактике коричневых карликов, гигантских планет, ледяных гигантов, землеподобных планет, или богатых льдом сферических небесных тел?

Тут уже оценки разнятся от «количества, сравнимого с количеством звёзд», до превышающего количество звёзд в несколько десятков тысяч раз. Подобные тела мы сможем найти только при помощи гравитационного микролинзирования.

Также оказалось, что нашу Солнечную систему можно считать как типичной, так и не очень. Типичной – в смысле количества имеющихся в ней планет. Тот конец спектра, что отвечает за экзопланеты небольшой массы, изучен очень плохо – как и популяционная статистика большинства планетных систем. Вероятно, наша система не типична в смысле наличия сразу нескольких скалистых планет земного типа во внутренней части системы, на внешних рубежах которой находятся массивные планеты, богатые газом.

Судя по другим звёздным системам, гигантские планеты вблизи звёзд встречаются не то, чтобы редко – наоборот, их можно найти в изобилии. Также очень часто нам попадаются мини-Нептуны – к ним можно отнести большую часть планет, которые мы изначально неверно окрестили «суперземлями» ^[5]. В других системах их полно, а у нас нет вообще. Кроме того, есть и ещё парочка значимых отличий: наше Солнце ярче и массивнее 95% звёзд нашей Галактики, а примерно половина всех её звёзд существует в виде систем из двух и более звёзд.

В системе TRAPPIST-1 ^[6] содержится наибольшее количество землеподобных планет из всех известных на сегодня систем. Температурные режимы планет более всего напоминают нашу систему.

И, конечно, на самый интересный вопрос – обитаемы ли хоть какие-нибудь из этих 5000 экзопланет – ответа у нас нет. Некоторые из них определённо должны быть скалистыми, и находиться на подходящем расстоянии от своей звезды – и если на них есть вода, то должны быть и океаны. А на некоторых из таких планет могут быть (или могли существовать) условия, близкие к нашим – к таким, в которых 4 млрд лет назад на Земле возникла жизнь.

Однако большая часть найденных нами планет не скалистая – они покрыты толстым слоем летучих газов. А другие, непохожие на них, скорее всего напоминают Меркурий, вообще не имеющий атмосферы. При этом большинство скалистых планет было найдено на орбите вокруг звёзд М-класса – это самые красные и холодные звёзды. Небольшой период оборота найденных планет вокруг звёзд однозначно свидетельствует о приливном захвате ^[7] их звездой, в результате чего их атмосферы, скорее всего, были сдуты в космос частыми вспышками родительских звёзд.

Да и ни у одной из таких мелких планет мы ещё не обнаружили атмосферу – ни путём получения прямых изображений, ни через транзитную спектроскопию. Есть ли у них биосигнатуры ^[8], или хотя бы намёки на таковые – ещё предстоит выяснить, улучшив наши методы наблюдений.

Транзитная спектроскопия позволяет изучить состав атмосферы экзопланеты на основании поглощения и испускания ею света собственной звезды на различных длинах волн.

Учёные с оптимизмом смотрят в будущее, и надеются, что следующее поколение телескопов сможет ответить на все поставленные вопросы, касающиеся экзопланет (и, конечно же, поднять новые). «Джеймс Уэбб» уже находится в рабочем состоянии. Телескопы EUCLID ^[9](2023 год), PLATO, Гигантский Магелланов телескоп ^[10] (2029 год), Чрезвычайно большой телескоп ^[11] (2027 год), Roman Space Telescope ^[12] (2027 год) должны заработать в ближайшее время, и вывести наши возможности на новый уровень.

С их помощью мы сможем измерять атмосферы небольших планет, получать прямые изображения планет, находящихся ближе к своим звёздам, расшифровывать сигналы микролинзирования для меньших планет, работать с меньшими радиальными скоростями, и в принципе соберём больше статистики, чем когда бы то ни было. Также мы сможем лучше понять, насколько мало тяжёлых элементов может быть в звёздной системе, всё ещё способной породить скалистые планеты, и в какой именно пропорции встречаются «суперземли» и «мини-Нептуны».

А комбинация знаний, полученных через транзитную спектроскопию и прямое наблюдение, позволит нам сделать выводы о составе атмосфер небольших скалистых землеподобных планет. Мы узнаем, есть ли у них атмосферы вообще. Есть ли там кислород, азот, водяной пар, двуокись углерода, метан. И даже есть ли у них химические следы работы разума – хлорфторуглероды или промышленных загрязнений.