Найти двойника Земли: ученый СПбГУ — о поиске экзопланет и теориях рождения Солнечной системы

Что такое горячий юпитер? Как можно обнаружить планету, похожую на Землю? И каким образом это поможет больше узнать о нашей планетарной системе? На эти и многие другие вопросы о современной астрономии ответил кандидат физико-математических наук старший научный сотрудник Санкт-Петербургского университета (кафедра астрономии) Роман Балуев.

Роман Владимирович, расскажите, что такое экзопланеты. И какими они бывают?

Экзопланеты — это планеты, которые вращаются не вокруг Солнца, а вокруг других звезд — вне Солнечной системы.

Одними из первых, начиная с 1995 года, стали открывать так называемые горячие юпитеры. Ученые обнаружили целый класс небесных тел, которые по массе близки к нашему Юпитеру, но находятся гораздо ближе к своей звезде — на расстоянии менее 0,1 астрономической единицы. Из-за такого небольшого расстояния их атмосферы нагреваются до огромных температур — порядка 1000 градусов по Кельвину. В Солнечной системе таких планет нет.

Астрономическая единица — исторически сложившаяся единица измерения расстояний в астрономии, которая равняется среднему расстоянию от Земли до Солнца. Например, расстояние от Меркурия (самой близкой планеты к Солнцу) до Солнца — примерно 0,3–0,4 астрономические единицы.

Сначала казалось, что это доминирующий класс экзопланет, потому что другие почти не открывали. Дело в том, что горячие юпитеры было проще обнаружить с той точностью измерительных инструментов, которая существовала на тот момент. Но позже, примерно с 2000 года, когда оборудование стало более совершенным, нашлись более удаленные от своих звезд планеты, в том числе похожие на наш Юпитер. Стало понятно, что класс горячих юпитеров не такой уж и многочисленный.

Кроме того, среди экзопланет существуют горячие земли, которые тоже находятся очень близко к своей звезде, но из-за высокой температуры на них нет и не может быть жизни. Также выделяют классы горячих нептунов, горячих сверхземель.

Почему ученые занимаются поиском новых планет? Что это позволяет понять?

Долгое время исследователи строили теории формирования планетных систем и основывали их на данных только о Солнечной системе. Однако планета Земля довольно особенная — тут возникли мы и другие живые организмы. Судя по всему, во Вселенной это редкость: других таких примеров мы не знаем. Можно было детально изучать нашу планетную систему вплоть до химического состава и истории ее появления, но это не дало бы ответ на вопрос — уникальна ли она или это такой вселенский стандарт?

Первые открытия экзопланет дали дополнительную статистику, которой хватило для разработки новой теории образования планет. Те самые горячие юпитеры сломали существующие представления, поскольку происхождение таких объектов нельзя было объяснить старыми теориями. В нашей планетной системе Юпитер один, он находится на расстоянии примерно пяти астрономических единиц от Солнца, и у него приличная масса. Причем во внутренней области Солнечной системы крутятся только мелкие планеты: Меркурий, Венера, Земля, Марс. А первые открытые экзопланеты — это массивный Юпитер, перенесенный на расстояние в 20 раз ближе, чем Земля к Солнцу. Непонятно, как объяснить их происхождение: так близко от звезды просто не было материала для формирования планеты такой массы.

Поэтому ученые разработали теорию, основанную на планетной миграции. Она предполагает, что планета образовалась далеко от звезды, но в процессе взаимодействия с протопланетным диском постепенно приближалась к звезде и мигрировала в центральные области. Там, где материал из протопланетного диска рассеялся, мы ее сейчас и видим.

Протопланетный диск, или проплид, — это вращающийся вокруг молодой звезды диск плотного газа, из которого впоследствии образуются планеты.

Здесь возникает вопрос: а почему наш Юпитер не мигрировал? Это зависит от параметров протопланетного диска: сколько вещества там было изначально, какие у него вязкость и химический состав. Это махровая математика, гидродинамика, даже магнитная гидродинамика — существует целая научная область, которая это объясняет.

Была также доработана теория формирования планет и без миграции, которая объяснила наличие таких планет именно в центральных областях вокруг звезды, — гравитационная нестабильность протопланетного диска. Открытие экзопланет дало хороший толчок этим исследованиям и образовало целую отрасль астрономии.

Что астрономы могут узнать о характеристиках экзопланеты, находясь так далеко от них — на Земле?

Те планеты, которые вращаются близко к звезде, настолько нагреты, что в инфракрасном диапазоне светятся сами, и этот свет можно зарегистрировать во время того, как они заходят за диск звезды. А когда планета выходит из-за него, то чуть-чуть загрязняет свет звезды. Если мы посмотрим спектр, то увидим, что планета добавит свои линии, которые можно зарегистрировать и интерпретировать. Так мы получаем информацию об общем составе атмосферы планеты. Это полезно, потому что мы знаем, какой химический состав у газовых гигантов Солнечной системы, а у экзопланет могут быть свои существенные отличия. Это тоже отдельная отрасль науки.

Еще одно направление — изучение атмосферной динамики планет. Когда планета заходит за диск звезды, этот эффект также можно зарегистрировать и измерить асимметрию этого явления в инфракрасной области спектра. Это позволяет получить информацию о неравномерном распределению яркости по видимому диску планеты. Ведь звезда нагревает планету неравномерно — в центре (на экваторе) атмосфера всегда нагрета сильнее. Кроме того, планета вращается и за счет разных гидродинамических эффектов там дуют сильные ветра. Это горячее пятно может смещаться и иметь какую-то нетривиальную форму. Таким образом можно получить информацию о гидродинамике и термическом профиле планеты.

Так как видов экзопланет много, они превращаются для нас в экспериментальный котел, своеобразную экспериментальную лабораторию, созданную самой природой.

Какие существуют методы поиска планет?

Способов обнаружения экзопланет несколько. Один из основных — метод лучевых скоростей, или метод Доплера. С помощью наземных телескопов мы можем наблюдать, как звезда за счет гравитационного возмущения от планеты как бы «покачивается». Нам заметно даже не само «покачивание», а колебание лучевой скорости звезды — скорости удаления и приближения объекта к наблюдателю, которую можно измерить спектральными методами. То есть мы находим экзопланету по изменению тонких характеристик света звезды, а точнее, по периодическому смещению спектральных линий за счет эффекта Доплера.

Эффект Доплера, названный в честь австрийского физика Кристиана Доплера, объясняет изменение частоты и длины волн, вызванное перемещением в пространстве их источника и приемника.

Есть еще астрометрический способ, когда ученые также пытаются измерить не спектральные параметры свечения звезды, а ее прямое колебание вокруг общего с планетой центра масс. Это довольно экзотический способ, потому что такой эффект очень трудно зафиксировать. Именно для подобных измерений в 2013 году был запущен космический астрометрический аппарат Gaia. Он уже давно летает и, возможно, в будущем позволит нам открыть множество новых планет. Но на сегодня собранных им данных недостаточно — для таких точных измерений необходим полный объем информации за всю экспедицию, к тому же ее еще предстоит обработать специальными алгоритмами.

Существует также метод микролинзирования — он позволяет открывать планеты, вращающиеся вокруг очень далеких от нас звезд. С Земли скопления таких далеких и тусклых звезд сливаются для нас в Млечный путь. Иногда случается, что две никак друг с другом не связанные звезды находятся на разных расстояниях от Земли, но совершенно случайно оказываются для нас почти на одном луче зрения. В этот момент та звезда, которая ближе, за счет своей гравитации как бы фокусирует свет фоновой звезды на наблюдателя. В этот момент происходит уярчение фоновой звезды на период от нескольких часов до нескольких дней. Если вокруг линзирующей, ближней к нам звезды вращаются планеты, то каждая из них тоже будет играть роль маленькой линзы. На общей кривой уярчения мы увидим аномалии, которые вызывают эти планеты.

Тут необходимо, чтобы все совпало: звезды прошли близко к одному лучу, плоскость орбит планет оказалась ориентированной как надо и сами эти планеты оказались в нужном месте. Так что это очень редкое событие, крайне маловероятное. Все же этот метод был популярен, когда существовал проект OGLE, посвященный поиску микролинзирования в нашей галактике. Тогда было открыто приличное количество планет. Но в нем есть важный недостаток — для одного объекта микролинзирование повторяется всего один раз.

Проект OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment) — польско-американский астрономический проект по изучению темной материи при помощи метода гравитационного микролинзирования.

Сейчас один из основных способов обнаружения экзопланет, который конкурирует с методом лучевых скоростей, — метод прохождений или транзитов. Он фотометрический и рассчитан преимущественно на те планеты, которые вращаются близко к звезде. С таким расстоянием возникает вероятность, что плоскость вращения планеты пройдет через Землю и мы будем периодически видеть, как небесное тело проецируется на диск звезды. Планету в данном случае мы по-прежнему не видим, но наблюдаем, как она в повторяющиеся периоды чуть приглушает свет звезды примерно на 1 %. Чтобы это заметить, нужна точная фотометрия, и это проще, чем метод лучевых скоростей. Для доплеровского метода нужно создавать особые высокоточные спектрографы. В случае с методом прохождений такой точности не требуется.

Однако в методе транзитов есть другая проблема: нужно, чтобы орбита планеты оказалась удачно ориентирована на Землю, чтобы эти периодические прохождения случались. Если ее орбита будет видна плашмя, то прохождение просто не удастся заметить. Вероятность такой ориентации плоскости довольно низкая. Если планета далеко от звезды, как Земля от Солнца, то вероятность их обнаружения очень маленькая. Она возрастает, если планета вращается близко к звезде, но все равно остается небольшой.

Каким методом пользуетесь вы в своих исследованиях?

У метода прохождений существует дочерний метод — метод тайминга прохождений. Допустим, есть планета, которая вращается вокруг звезды, и благодаря определенной плоскости своей орбиты она периодически проходит перед диском этой звезды. Если планета одна, то прохождение повторяется с орбитальным периодом планеты. Но если есть еще одна планета, которую мы не видим, она будет гравитационно влиять на первую и возмущать ее движения, из-за чего строгая периодичность будет нарушаться. То есть одно явление прохождения чуть запоздает или опередит предсказанный момент. За счет таких отклонений можно попытаться сделать вывод, что в этой системе есть еще какой-то объект. Исходя из небесно-механических расчетов можно узнать об этом объекте многое, вплоть до построения его орбиты.

Такие отклонения тайминга могут возникать еще и за счет приливного взаимодействия планеты со звездой. Так, со временем планета теряет энергию и по спирали медленно приближается к звезде из-за небольшого расстояния между ними. За счет приливных сил они влияют друг на друга так же, как Луна вызывает приливы на Земле. Планета при этом становится слега сплюснутой, и эта деформация должна постоянно менять направление, чтобы все время смотреть как бы одним боком на звезду. За счет такого эффекта происходит потеря энергии в недрах планеты. Это означает, что скорость вращения небесного тела по орбите постепенно увеличивается. По закону Кеплера чем ближе объект к звезде, тем выше скорость движения должна быть у его спутника. Это микроскопический эффект: например, если говорить о Земле, то на протяжении 10-летнего интервала наблюдений накопленное отклонение тайминга оказывается всего около пары минут.

Подобных планет сегодня известно две: WASP-12 и WASP-4. Последнюю в Южной Америке по нашему запросу наблюдают астрономы-любители в рамках проекта EXPANSION — о нем я расскажу чуть позже. Ее изучение велось одновременно с другим международным коллективом, и вышло так, что они опубликовали результат первыми, потому что увидели эффект ускоряющихся моментов прохождений. Мы были более осторожны и заметили некоторые сложности в интерпретации данных.

Наблюдаемый эффект мог оказаться результатом систематических ошибок, в частности влияния звездных пятен. Если звезда имеет равномерную яркость по всему диску, то прохождение будет иметь красивую гладкую форму — как по учебнику. Но на звездах почти всегда бывают пятна, и может оказаться так, что планета во время своего прохождения возьмет и «чиркнет» поверх этого пятна. Тогда в фотометрической кривой случится аномалия, которая исказит результат. В итоге мы все-таки подтвердили, что был найден эффект ускорения тайминга, но амплитуда систематического ускорения оказалась в два раза меньше, чем заявляла вторая научная группа.

Откуда астрономы получают данные об экзопланетах?

Мой коллега Евгений Соков организует международную сеть телескопов астрономов-любителей, в ней также состоят и профессиональные обсерватории. В сеть входят несколько десятков телескопов, которые проводят регулярные наблюдения прохождений различных экзопланет по всему небу. Сейчас таких планет чуть больше 20, туда же входил и WASP-4. Они давно известны и хорошо описаны, и благодаря проекту мы продолжаем накапливать данные их таймингов.

Этот проект вырос из чешской базы данных Exoplanet Transit Database. Некоторое время там накапливались наблюдения разного качества, среди которых большинство не очень высокого, потому что ими занимались любители. Такие данные надо тщательно отбирать и вычленять только те объекты, у которых они более-менее приличные. На основе этой базы Евгений создал проект EXPANSION и объединил людей, которые регулярно готовы вести наблюдения за экзопланетами.

Еще мы работаем в сотрудничестве со Специальной астрофизической обсерваторией РАН. Там недавно ввели в строй новый спектрограф с необходимым уровнем точности, благодаря которому можно проводить наблюдения методом лучевых скоростей.

Как вы думаете, есть ли шанс найти двойника Земли?

Конечно, астрономы всего мира хотели бы открыть такую планету. Это острие развития области экзопланетной науки — именно в данном направлении ведутся самые интенсивные разработки. Но задача непростая: нужно найти планету, которая одновременно и по массе, и по расстоянию к звезде должна быть как Земля. Какой интерес найти раскаленную Землю, где ничего живого быть не может?

На сегодня полный аналог Земли до сих пор не найден. Однако встречаются похожие планеты около красных карликов — маломассивных звезд. Во-первых, за счет небольшой массы такие звезды более чувствительны к возмущениям планет, поэтому около них просто проще открывать экзопланеты меньшей массы. Во-вторых, у красных карликов зона жизни находится ближе к звезде, потому что они светят слабее Солнца. Их экзопланеты могут вращаться ближе к звезде, не раскаляясь, как горячие юпитеры.

Зона обитаемости, зона жизни — это область вокруг звезды с наиболее благоприятными условиями для жизни земного типа.

Чтобы попытаться найти полный аналог Земли, нужно иметь очень точный спектрограф — с точностью измерения лучевой скорости 10 сантиметров в секунду. Лучший спектрограф, который сегодня существует, позволяет добиться точности лишь 30 сантиметров в секунду. Поэтому поиск двойников Земли — это во многом большой вызов для инженеров. Подобным инструментам необходима сверхвысокая стабильность — для этого они помещаются в специальный защитный кожух, где поддерживаются постоянное давление и температура.

Высокоточные приборы — это еще не все. Важно помнить, что в фотосфере звезды существуют пятна и другие нестабильные явления, например факелы, грануляции и так далее. Грубо говоря, поверхность звезды бурлит, что вызывает дополнительный шум и искажения в измеряемой лучевой скорости. Как физический объект лучевая скорость звезды от этого не меняется, но мы же измеряем ее не непосредственно, а с помощью спектрографа на основе эффекта Доплера. А спектры звезды относятся именно к ее внешней нестабильной оболочке. Причем эта нестабильность имеет порядок одного метра в секунду.

Словом, чтобы минимизировать естественный астрофизический шум звезды, нужно создавать специальные алгоритмы, которые его будут обрабатывать и фильтровать. Только так можно достичь необходимой точности, которая позволит открыть планету земного типа. Несмотря на сложности, думаю, рано или поздно это обязательно случится.