Ученые нашли несколько экзопланет, выжженных звездами до состояния «огарков»

Почему их постигла такая участь, и как искать что-то более подходящее для жизни, — объясняет астрофизик Сергей Попов

На этой неделе в Nature Astronomy вышло три статьи, в которых описывается новый метод поиска экзопланет и те находки, которые он принес. Речь идет о крайне необычных планетах, которые в какой-то момент своей истории потеряли много вещества из-за того, что были фактически выжжены своими звездами. В чем необычность этих планет, насколько универсален новый метод их поиска и как вообще астрономы ищут далекие миры, объясняет ведущий научный сотрудник института Штернберга, астрофизик Сергей Попов.

Догадавшись, что звезды — это далекие Солнца, астрономы уже сотни лет назад начали рассуждать о том, что там тоже могут существовать планетные системы. Однако обнаружить их непросто: даже самые массивные планеты это очень легкий и слабенький объект, который находится рядом с гораздо более массивной и яркой звездой. Как только в середине XIX века астрономы научились измерять расстояния до звезд, стало понятно, что обнаружить вокруг них планеты (тогда их еще не называли экзопланетами) будет крайне трудно.

Тем не менее, уже в XIX веке астрономы предлагали различные способы поиска экзопланет. Кое-кто даже думал, что способ работает, но не хватает точности. Так что понадобилось ждать 1990-х гг., когда в результате технического прогресса в арсенале астрономов появилось сразу несколько методов, с помощью которых стало возможным идентифицировать экзопланеты.

Искать планеты у далеких звезд можно по-разному, но это всегда непросто

Основных методов поиска экзопланет шесть, и все они до сих пор используются и имеют свою сферу применения. Самый прямой путь — это просто увидеть экзопланету — получить снимок и ткнуть пальцем в точку, сказав: «Вот она!». Как можно догадаться, сделать это удается крайне редко. Из нескольких тысяч известных экзопланет лишь в нескольких случаях удается заснять далекое тело непосредственно. Еще иногда можно выделить излучение планеты в совместном потоке фотонов от звезды и всего, что ее окружает. Но чаще данные по планетам существенно менее прямолинейны, хотя от этого они не становятся менее надежными.

Вопрос о том, каким методом удалось открыть самую первую экзопланету, несколько сложнее, чем кажется. Некоторые полагают, что первыми экзопланетами следует считать объекты, обнаруженные в 1992 году вокруг одного из радиопульсаров, то есть около нейтронной звезды. Сделать это удалось за счет анализа неоднородностей во времени сигналов этих радиопульсаров. Но прежде чем объяснить, как это было сделано, нужно сказать пару слов об орбитальном движении.

Обычно мы объясняем детям, что не Солнце вращается вокруг Земли, а Земля вокруг Солнца. Но дети растут, и наступает время сказать им всю правду (лучше узнают от вас, чем от мальчишек в подворотне). На самом деле Солнце и другие тела Солнечной системы гравитационно влияют друг на друга и движутся вокруг общего центра масс всей системы! Просто Солнце гораздо массивнее — оно в сотни раз тяжелее всех остальных тел системы вместе взятых. Поэтому наша звезда смещается совсем немного, хотя иногда это «немного» измеряется сотнями тысяч километров. Смещение, которое испытывает наше Солнце, в принципе, могут заметить инопланетные астрономы — и начать открывать тела Солнечной системы.

Вернемся к планетам вокруг пульсара. Мы поняли, что пульсар не стоит на месте, а тоже участвует в движении вокруг центра масс своей системы. Все, что мы можем — это регистрировать его импульсы, своеобразные «сигналы точного времени». Но если пульсар движется, то сигналы будут не такими уж точными. Когда пульсар движется к нам, то сигналы от него будут приходить немного чаще. От нас — немного реже. Именно это и заметили Вольцшан и Фрейл в 1992 году и открыли три тела планетной массы.

Но пульсар — нейтронная звезда. Нейтронная звезда отличается от обычной звезды, как демократия от суверенной демократии. Мы хотим открывать планеты у нормальных звезд, похожих на Солнце.

Иногда удается открывать планеты у нормальных звезд почти так же, как планеты у пульсара — по измерениям сбоев наступления каких-то событий. Например, звезда может пульсировать, и тогда из-за движения вокруг центра масс мы тоже будем видеть систематический сдвиг во времени пульсаций. Часто звезды образуют двойные системы. В этом случае наличие планет приведет к отклонениям в орбитальном движении звезд и, например, затмения одной звезды другой будут происходить то чаще, то реже. Так удалось выявить присутствие уже нескольких планет. Но этот метод далеко не основной.

С 1980-х годов астрономы начали пытаться искать периодическое движение звезд вокруг центров масс их систем, измеряя скорость движения звезд. В самом деле, двигаясь вокруг центра масс, звезда, то немного приближается к нам, то удаляется. Это можно измерить, изучая спектр звезды.

Именно таким способом в 1995 г. Майор и Кело открыли первую экзопланету у нормальной звезды — 51 Пегаса b (51 Пегаса — это название звезды, вы догадались, в каком созвездии она находится, а планеты начинают обозначать с буквы b, оставив первую букву алфавита за звездой). Этот метод называется «измерение вариации лучевой скорости», так как он подразумевает измерение скорости вдоль луча зрения (проекцию скорости: к нам или от нас). За 25 лет этим методов было обнаружено около тысячи экзопланет.

Однако лидирует по числу открытых экзопланет другой способ. Иногда, обращаясь вокруг своей звезды, планета проходит (с нашей точки зрения) прямо перед ней, как говорят — происходит транзит планеты, то есть на фоне яркого звездного диска оказывается темная планета. В результате блеск звезды падает. Это как если бы на абажур лампы села муха: света стало меньше, хотя заметить это и трудно.

Важно отметить, что в случае звезд это особенно трудно сделать с Земли. Все видели, что звезды мерцают. Это, как правило, происходит из-за земной атмосферы. Поэтому измерить блеск звезды с точность до 0.01%, которые требуется для выявления экзопланет, с Земли очень нелегко. Поэтому для наблюдения транзитов лучше запускать телескопы в космос (а с поверхности или пытаться открыть крупные планеты, или планеты у самых маленьких звезд, ну или просто изучать транзиты уже известных планет — когда знаешь когда и куда смотреть, то задача становится проще).

Первым специальным спутником для поиска экзопланет в 2006 году стал европейский CoRoT. Он открыл несколько десятков объектов и уступил место американскому «Кеплеру». Вот это уже была большая машина для специального массового поиска экзопланет. «Кеплер» открыл их более 1000, обогнав любую другую установку или спутник.

Есть еще два менее известных метода открытия экзопланет. Один пока почти не работает, но мы ждем от него тысяч экзопланет буквально через несколько лет благодаря результатам спутника Gaia. Метод основан на том, что, вращаясь вокруг центра масс системы, звезда смещается и, как мы уже поняли, это можно заметить. Пока все попытки таких поисков не приводили к успеху (точнее, смещение звезд обнаруживали, но спутниками оказывались не планеты, а более массивные тела: слабые звезды или бурые карлики). Однако летающий сейчас спутник Gaia в скором времени должен обнаружить этим способом тысячи (!) экзопланет — публикация финального каталога по результатам миссии запланирована на начало 2020 года, а открытий стоит ждать после обработки данных.

Последний метод — микролинзирование — связан с Общей теорией относительности. Помните, ровно сто лет назад — в 1919 году — она получила подтверждение благодаря наблюдению смещения видимых положений звезд, находящихся рядом с солнечным диском — это удалось обнаружить во время солнечного затмения. И раз траектория световых лучей искажается вблизи тел, то по этому искажению можно обнаружить их присутствие. И хотя планеты легче звезд, они тоже свет искажают. Это удалось обнаружить, и таким способом открыты уже многие десятки планет.

Новый метод позволяет понять «где», а не «как» искать экзопланеты — это тоже важно

Как мы убедились, все методы непростые и требуют длительных наблюдений. Можно, конечно, направить телескоп на первую попавшуюся звезду и ждать, когда у нас накопится достаточно данных для того, чтобы узнать, — есть ли в ее системе планеты или нет. Но лучше, конечно, знать, где найти планету вероятнее.

Авторы трех статей в Nature Astronomy (1,2,3) предложили новый метод выбора звезд для поиска экзопланет. Сам поиск при этом может проводиться старым добрым методом измерения вариации лучевых скоростей — важно придумать, как правильно выбрать звезды.

Если планета крутится далеко от звезды, звезда на нее влияет слабо. Но вот если планета подобралась поближе, то звезда планету съест, и это будет заметно. Именно это и использовали авторы. Звезда нагревает планету, и та начинает «испаряться». Звезда оказывается окруженной «лишним» газом, присутствие которого можно обнаружить в спектре звезды. Значит, если заранее провести массовые измерения спектров звезд, то можно выявить объекты, вокруг которых с большой вероятностью должны обращаться экзопланеты. Причем орбиты планет должны быть достаточно близки от звезды — и такие тела проще обнаруживать методом лучевых скоростей. После того, как хорошие кандидаты выделены — можно начать трудоемкие измерения скоростей этих звезд.

Экзопланеты из новой работы — очень необычные миры

Авторы обнаружили планеты у трех из исследованных ими звезд. Все три случая чем-то да выделяются. Одна из звезд (ее обозначение DMPP-2) пульсирует — это делает систему интересной (планеты у таких звезд открывают очень редко). Там обнаружена планета с массой почти в половину массы Юпитера. Орбитальный период планеты — чуть более 5 дней.

У второй звезды, DMPP-3, обнаружено два спутника. Один из них — это планета раза в 2-3 тяжелее Земли, а второй — очень-очень-очень легкая звезда, прямо на пределе начала термоядерных реакций (что соответствует примерно 8 процентам от массы Солнца). Планета располагается вблизи более яркой звезды, делая оборот примерно за неделю. А легкая звезда находится гораздо дальше. Видимо, воздействие второй звезды подогнало планету так близко к яркому светилу, что ее атмосфера начала активно улетучиваться, и теперь мы видим некий «огарок».

Наконец, в третьей системе обнаружено сразу четыре планеты. Три из них, видимо, такие же «огарки»; их массы в несколько раз больше земной. Четвертая слегка массивнее, и по массе больше похожа на Нептун.

Двойная система DMPP-3 крайне необычна. С одной стороны, астрономам известно уже более сотни планет в двойных системах, но здесь мы имеем дело с «невозможным случаем». Чтобы сформировались планеты, нужно место, а здесь вторая звезда вращается на расстоянии лишь немного большем, чем расстояние от Земли до Солнца. Кроме того, орбита звездного спутника сильно вытянута, т. е. в ближайшей к более массивной звезде точке орбиты (периастре) компаньон подходит на еще меньшее расстояние. Как тут создавать планеты? Значит, мы видим систему не такой, какой она была во время образования. Орбита планеты должна была сильно меняться под влиянием второй звезды. Но даже с учетом этого остается загадкой, как она вообще смогла сформироваться в такой тесноте.

Планеты системы DMPP-1 интересны тем, что некоторые из них могут относиться к так называемым «хтоническим мирам». Это состоящие из тяжелых элементов (от углерода и тяжелее) ядра изначально более массивных планет. Внешние слои были испарены, и осталась лишь центральная плотная часть небесного тела. Эти планеты пересекли так называемую «пустыню Нептуна» — так называют особенность в распределении планет по массам и периодам обращения: примерно на массе Нептуна наблюдается недостаток планет с орбитальными периодами меньше нескольких дней. Объяснением может служить как раз испарение внешних частей, приводящее к уменьшению массы и формированию «хтонических миров», которые мы теперь, возможно, и наблюдаем в DMPP-1.

Новая методика, предложенная авторами, делает более эффективным поиск планет, расположенных на небольших орбитах. Хотя, конечно, никакой жизни там нет и быть не может, зато изучение таких объектов важно для понимания того, как планеты перемещаются по своим системам. Кроме того, коли уж внешние слои планет в таких системах улетучиваются и влияют на спектр звезды, мы можем надеяться изучить состав этого сброшенного вещества, что также интересно. Вообще, у экзопланет еще много загадок, и любая новая эффективная методика их поиска — только на пользу. Тем более, что теперь астрофизики хотят не столько искать новые планеты, но и более детально изучать уже известные.

Так, запущенный в декабре европейский спутник Cheops будет наблюдать транзиты планет, уже открытых по вариации лучевых скоростей, с целью получить о них дополнительную информацию. И здесь новая методика может сильно помочь: основной целью изучения Cheops станут как раз близкие (от звезд) экзопланеты, которые можно находить новым методом.

Далее, как мы надеемся, полетит новый космический телескоп JWST, и заработают новые крупные наземные телескопы (в первую очередь — E-ELT). Это позволит не только разглядеть непосредственно бо́льшее число экзопланет, но и даст возможность изучать их спектры, добравшись, наконец, до планет размером с Землю. Так мы можем лет через 10 получить свидетельства присутствия кислорода в атмосферах землеподобных планет в зонах обитаемости — то есть на таком расстоянии от звезды, на каком на поверхности планеты может существовать жидкая вода.

Следующая большая охота на экзопланеты начнется в 2026, когда полетит европейский спутник PLATO. За несколько лет наблюдений он откроет сотни тысяч экзопланет, включая землеподобные планеты в зонах обитаемости звезд типа Солнца. К этому времени должна будет закончиться разработка космических телескопов WFIRST и ARIEL, в задачи которых входит детальное исследование спектров экзопланет. Так что экзопланетную астрономию ждет интересное будущее.

Сергей Попов