Как люди нашли планеты

Немного о Солнечной системе

Современное определение слова «планета», данное международным астрономическим союзом (МАС) содержит три пункта. Планета — это небесное тело, которое:

1. Обращается по орбите вокруг Солнца.
2. Имеет достаточную массу, чтобы под действием собственной гравитации прийти в состояние гидростатического равновесия.
3. Расчищает окрестности своей орбиты от иных объектов. 

В Солнечной системе под это определение подошли восемь объектов: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун.

Самые большие тела Солнечной системы в масштабе

Первые четыре планеты — маленькие и каменистые, затем идут два огромных газовых гиганта, затем — два ледяных гиганта. При этом орбиты всех планет являются практически круговыми и лежат близко к одной плоскости (наиболее сильно выделяется Меркурий: наклонение орбиты составляет 7 градусов, а эксцентриситет (так учёные называют отличие любого конического сечения, например эллипса, от правильной окружности) равен 0,2.

Орбиты тел Солнечной системы в масштабе

Такое устройство планетной системы привычно для нас. Но это вовсе не значит, что именно таким образом должны быть устроены все планетные системы во Вселенной или хотя бы в нашей Галактике. Более того, чем дальше продвигаются исследования других планетных систем, тем яснее становится, что природное разнообразие планет гораздо богаче, чем можно вообразить.

Первые открытия

Таким образом, экзопланеты (от др.-греч. ἔξω — «вне, снаружи») — это любые планеты, обращающиеся вокруг других звёзд. Сейчас их открывают практически каждый день. На 11 августа 2016 года общее число открытых экзопланет составило 3496 (и ещё несколько тысяч кандидатов ждут подтверждения). И это — только начало большого пути исследования внесолнечных систем.

Рост числа открытых экзопланет

Когда и кем была открыта первая экзопланета, утверждать сложно: дело в том, что многие заявления об открытии экзопланет не подтверждались. При этом в 1988 году появилась работа, в которой исследователи указывали на возможность существования у двойной звезды Гамма Цефея третьего звёздного компонента. Но, как выяснилось через 15 лет, Кэмпбелл и его соавторы открыли вовсе не звезду, а экзопланету. По современным оценкам, масса этой планеты лежит в интервале от 4 до 18 масс Юпитера и обращается она вокруг звезды Гамма Цефея А (звезды Альраи) за 903 дня (период обращения Юпитера в Солнечной системе почти в пять раз больше). Новая планета получила в 2003 году имя Гамма Цефея А b — в соответствии с правилами названия экзопланет (к имени звезды приписывается буква латинского алфавита, начиная с b). Звезда Гамма Цефея имеет звёздную величину 3,2^m и видна на небе землянам даже невооружённым глазом.

Созвездие Цефея (Cepheus). Синей стрелкой выделена звезда Гамма Цефея

Что же увидели исследователи в этой области неба? Как они могли перепутать звезду и планету? Дело в том, что большинство экзопланет открыто с помощью косвенных методов: из почти трёх с половиной тысяч открытых экзопланет астрономы видели свет лишь нескольких десятков. Найти такие объекты и оценить их параметры, не видя напрямую, возможно, лишь измеряя влияние экзопланеты на звезду, вокруг которой она обращается. Кемпбелл и его соавторы открыли экзопланету Гамма Цефея А b одним из косвенных методов — методом лучевых скоростей.

Что такое метод лучевых скоростей?

Представьте, что вы смотрите на машину, которая уезжает от вас. Расстояние между вами всё время увеличивается, значит, её лучевая скорость относительно вас — положительна. Если машина едет к вам и расстояние между вами уменьшается, лучевая скорость — отрицательна. В том случае, если машина кружит вокруг вас, не приближаясь и не удаляясь, её лучевая скорость равна нулю. Более формальное определение лучевой (радиальной) скорости можно найти здесь. 

А теперь послушайте, что происходит с гудком машины, когда она приближается к вам и удаляется от вас:

Эффект Доплера при движении автомобиля

Сначала, когда скорость машины мала, мы слышим «настоящий» звук гудка. По мере нарастания скорости автомобиля звук издаваемого сигнала постепенно повышается. При этом, как только машина начинает удаляться от нас, мы слышим понижение частоты гудка. Этот эффект изменения частоты сигнала в зависимости от лучевой скорости называется эффектом Доплера.

Да-да, это тот самый «полосатый» эффект, ведь он применим к любым волнам, не только к звуку, но и к видимому свету. Например, если жёлтый фонарик быстро летит на вас, он будет казаться зелёным, если от вас — то красным.

Каким же образом эффект Доплера применим к экзопланетным системам? Рассмотрим два тела — звезду и планету. На первый взгляд может показаться, что планета обращается вокруг звезды, а звезда стоит на месте. Но на самом деле звезда тоже обращается, с тем же периодом, что и планета, описывая при этом маленький кружок вокруг центра масс системы. И если при этом система располагается по отношению к вам так, что лучевая скорость звезды для вас в некоторые моменты времени отлична от нуля, вы можете заметить эффект Доплера в такой системе и заподозрить, что вокруг звезды обращается массивное тело. Например, лучевая скорость звезды Гамма Цефея А колеблется от –27,5 м/c до +27,5 м/c из-за обращающейся вокруг неё экзопланеты.

Таким образом, когда исследователи заявляют об открытии звезды методом лучевых скоростей, они не «видят» экзопланету, что называется, своими глазами, но измеряют её влияние на звезду. Причём модуль лучевой скорости звезды будет тем больше, чем:

• массивнее планета;
• легче звезда;
• меньше расстояние между звездой и планетой;
• меньше наклон плоскости орбиты системы к нашему лучу зрения. 

Аналогичная ситуация возникает и тогда, когда планеты открывают самым эффективным методом на сегодняшний день — транзитным.

Открыть планету транзитом

Метод транзитов (прохождений по диску) заключается в измерении изменения потока излучения (проще говоря — светимости), приходящего от звезды. Даже невооружённым глазом можно наблюдать транзит, правда, в пределах Солнечной системы. Прохождение по диску Солнца таких тел, как Луна, Венера или Меркурий, — классический пример такого явления.

Транзит Венеры по диску Солнца, наблюдаемое падение блеска

Для обнаружения планеты методом транзитов необходимо, чтобы:

• орбита системы лежала в плоскости луча зрения наблюдателя;
• система имела период меньше, чем время наблюдения. 

При этом чем меньше различие в размерах планеты и звезды, тем проще зафиксировать транзит в такой системе.

Большую часть планет, открытых транзитным методом, составляют объекты, снятые космическим телескопом «Кеплер». В данный момент около четырёх тысяч кандидатов в экзопланеты, обнаруженные этим телескопом, ожидают своего окончательного подтверждения. И все эти планеты находятся лишь в маленькой области неба, в которую направлен этот телескоп.

Поле зрения телескопа «Кеплер»

Первая планета, транзит которой удалось наблюдать в 2005 году, была открыта ещё в 1999 году методом лучевых скоростей. Она получила имя HD 209458 b, но из-за особенной популярности у учёных ей дали также собственное имя — Осирис. Эта планета делает один оборот вокруг своей звезды солнечного типа всего за 3,5 дня и имеет радиус в 1,4 раза больше, чем Юпитер в Солнечной системе. Масса планеты (0,7 массы Юпитера) была определена методом лучевых скоростей — Осирис вызывает колебания лучевой скорости своей звезды от -84 м/c до +84 м/c.

Такие планеты, как Осирис, относятся к типу «горячих юпитеров». Они близки по массе к Юпитеру, но обращаются на очень близких орбитах к своим звёздам и, следовательно, сильно разогреты. И хотя в Солнечной системе нет планет такого типа, в нашей Галактике «горячих юпитеров» найдено уже несколько сотен. Именно такие планеты открывались первыми — методом транзитов и методом лучевых скоростей наличие больших и близких к звезде планет установить проще. У некоторых «горячих юпитеров» (включая Осирис) частично изучен химических состав и проводится моделирование атмосфер, но, к сожалению, увидеть свет таких объектов — очень сложная задача. 

Количество экзопланет, открытых различными методами

Изображения экзопланет

В данный момент существует лишь несколько десятков изображений экзопланет. Чтобы выделить свет от планеты, необходимо «перекрыть» свет от звезды, вокруг которой обращается планета (либо до попадания света на приёмник излучения, либо после — программными методами). Соответственно, легче сфотографировать большую планету, находящуюся в значительном удалении от своей звезды. Причём в инфракрасной области спектра выделить свет экзопланеты рядом со звездой оказывается проще.

Первой планетой, открытой в 2004 году с помощью получения её изображения, является объект с именем 2M1207 b.

Фотография системы 2M1207 в инфракрасном диапазоне. Слева — планета, справа — коричневый карлик

Изображение 2M1207 b — газового гиганта, обращающегося вокруг коричневого карлика 2M1207 (на расстоянии, в 55 раз превышающем расстояние между Солнцем и Землёй), было получено с помощью одного из телескопов системы VLT. Эту же область неба в созвездии Центавра наблюдал телескоп «Хаббл» с целью подтверждения совместного движения компонент. Поток излучения от планеты, которая, возможно, продолжает сжиматься, в этой системе всего в сотню раз меньше, чем поток от карлика 2M1207 (для сравнения, при наблюдении Солнечной системы со стороны ярчайшие планеты будут иметь блеск примерно в миллиард раз слабее, чем Солнце). В конце 2015 года появилась работа, в которой с помощью точных фотометрических наблюдений был установлен период вращения планеты 2M1207 b, который составляет примерно 10 часов.

Первой «сфотографированной» планетной системой стала HR 8799 в созвездии Пегаса.

Планетная система звезды HR 8799. Планеты обозначены буквами b, c, e, d. В центре — артефакты вычитания из изображения света звезды

Планетная система состоит из гигантов, в пять (HR 8799 b) и в семь раз массивнее Юпитера (HR 8799 с, HR 8799 e, HR 8799 d), при этом размер планетной системы близок к размеру Солнечной системы. О получении снимков этой планетной системы с помощью телескопов обсерваторий Кека и Гемини исследователи объявили в 2008 году.

И что же дальше?

На сегодняшний день среди открытых экзопланет есть те, поверхность которых представляет океан. Найдены газовые гиганты, теряющие свои атмосферы, и хтонические планеты, которые газовую оболочку уже утратили. Обнаружены планеты, на небе которых можно увидеть сразу несколько солнц, и кратные планетные системы возле пульсаров. Есть планеты, обращающиеся вокруг своих звёзд на очень высоких орбитах, и те планеты, которые практически касаются поверхности своего светила. Среди орбит экзопланет встречаются как круговые, так и сильно вытянутые, и всё это — так непохоже на нашу Солнечную систему.

С ростом возможностей наблюдательной техники число планет будет неуклонно расти — в этом нет никаких сомнений. Как и нет сомнений в том, что новые планеты продолжат удивлять исследователей. 20 экзопланет уже признаны максимально похожими на Землю, впрочем, подтвердить такой их статус — дело ещё очень далёкого будущего. Однако всё человечество лелеет одну общую мечту — найти иной мир, который был бы столь же уютен, как наша родная планета. И, конечно же, посетить его когда-нибудь.

Спутники вроде «Кеплера» работали сверхурочно, чтобы открыть сотни новых планет в нашей галактике. История открытия Солнечной системы, ее планет, это интересный способ взглянуть на историю науки и понимания человечеством наших близких соседей. Изучение наших планет меняло наш взгляд на мир вокруг нас и понимание нашего места во Вселенной. Но как мы впервые обнаружили планеты в нашем локальном объеме космоса? То есть в нашем пузыре под названием Солнечная система. Вот все истории о том, как астрономы, живущие сотни лет назад, открыли каждую планету в нашей Солнечной системе.

Как открыли Меркурий

Будучи ближайшей к Солнцу планетой в нашей Солнечной системе, Меркурий вращается в пределах 46-70 миллионов километров от светила. Древние астрономы знали о скорости вращения планеты вокруг солнца: ассирийские астрономы ассоциировали планету с богами, такими как Набу, писцом и посланником богов; древние греки называли это тело Меркурием, также в честь посланника богов. С чем же связана такая ассоциация? Год на этой планете длится всего 88 дней, самый короткий из всех.

В 1631 году астроном Пьер Гассенди впервые наблюдал транзит Меркурия через солнце, и буквально спустя пару лет другой астроном Джованни Зупи открыл фазы, указывающие на то, что планета вращается вокруг Солнца. Другие астрономы постепенно добавляли к этим открытиям свои: итальянский астроном Джованни Скиапарелли наблюдал планету и заключил, что Меркурий был приливно заблокирован солнцем, то есть обращен к светилу всегда только одной стороной.

Подписывайтесь на наш канал в Яндекс Дзен. Там можно найти много всего интересного, чего нет даже на нашем сайте.

В современную эпоху освоения космоса пришли и другие открытия: очень многое о планете узнали совсем недавно. Советские ученые впервые использовали радар для исследования планеты в начале 1960-х, а ученые в обсерватории Аресибо с помощью радиотелескопа обнаружили, что планета вращается раз в 59 дней, а не в 88, как считалось ранее. В 1974 году зонд Mariner 10 впервые посетил планету, осуществил несколько облетов, картографируя поверхность, а в 2008 году к планете прибыли зонд MESSENGER, на орбите которой и остается по сей день.

Кто открыл Венеру

Вторая планета в Солнечной системе, Венера — самая яркая из планет, наблюдаемых с Земли. По этой причине ее изучали с незапамятных времен: первые записи о ней появились еще у вавилонян, которые назвали планету Иштар. Римляне видели в Венере богиню красоты, а майя считали, что планета является братом солнца. В 1610 году Галилео Галилей наблюдал фазы Венеры, подтвердив, что планета действительно вращается вокруг Солнца. Из-за плотной атмосферы планеты, наблюдения поверхности были невозможны до 1960-х годов, однако многие считали, что на Венере есть жизнь, поскольку по размерам планета была похожа на Землю.

В 1958 году радиолокационная съемка выявила, что поверхность планеты невыносимо горячая — и значит, неприветлива к жизни. Человечество решило взглянуть на злую сестру Земли поближе. Первая попытка, советский зонд «Венера-1», была предпринята в 1961 году и не увенчалась успехом, но Mariner 2, запущенный США, преуспел, облетев планету и подтвердив ее температуру, а также отсутствие магнитного поля. Новая советская миссия «Венера-4» успешно достигла Венеры и отправила обратно информацию об атмосфере планеты, прежде чем сгореть дотла во время входа в атмосферу. За этими миссиями последовали несколько других: Mariner 5, «Венера» 5 и 6, «Венера-7» с успешным приземлением, а после и повторение успеха силами «Венеры-8». Эти два последних зонда стали первыми искусственными объектами, которые успешно приземлились на поверхности другой планеты. Оба были уничтожены давлением и теплом планеты, но Советский Союз продолжал посылать зонды. NASA тоже: «Пионер-12» вращался вокруг планеты в течение 14 лет, составляя карту поверхности, а «Пионер-13» отправил несколько зондов прямиком к ней.

Как нашли Землю

Земля непрерывно наблюдалась человечеством с самого момента его появления. Но хотя мы знали, что стоим на твердой земле, чтобы выяснить истинную природу нашего дома, пришлось немного подождать. На протяжении многих веков люди считали, что Земля не является таким же объектом, как и наблюдаемые над ней: все вращалось вокруг Земли. Уже во времена Аристотеля философы определили, что Земля имеет сферическую форму, наблюдая тень от Луны.

Миколай Коперник — известный также как Николай — постулировали гелиоцентрический вид Солнечной системы еще в 1514 году. Книга «О вращении небесных сфер» была впервые опубликована в 1543 году и поставил под сомнение общепринятую точку зрения. Теория была спорной, но за ней последовали три объемных работы Иоганна Кеплера на тему коперниканской астрономии. Кеплер разработал три закона движения планет: «Планеты движутся вокруг Солнца по эллипсу, с Солнцем в одном из фокусов», «Каждая планета движется в плоскости, проходящей через центр Солнца, причём за равные промежутки времени радиус-вектор, соединяющий Солнце и планету, описывает равные площади», «Квадраты периодов обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы больших полуосей орбит планет». Эти законы помогли определить движение планет и позволили нам усомниться в предыдущем виде Солнечной системы. Поначалу теории Кеплера не были популярны, но в конце концов разошлись по всей Европе. К тому моменту, когда Коперник опубликовал свои взгляды, экспедиция Фернана Магеллана смогла обогнуть земной шар в 1519 году.

И только 24 октября 1946 года мы смогли взглянуть на наш родной мир, когда первый снимок Земли был сделан с помощью модифицированной ракеты «Фау-2», запущенной с полигона в Нью-Мексико.

Когда открыли Марс

Кроваво-красная четвертая планета нашей Солнечной системы давно ассоциируется с римским богом войны, которого зовут Марс. И если многие считали, что Венера вполне могла обладать земной атмосферой, подобные мысли были и на тему Марса. В 1877 году, исследуя планету с помощью телескопа, астроном Джованни Скиапарелли описал ряд особенностей, которые он назвал Canali. Это слово было переведено неправильно, и на Марсе внезапно обнаружились каналы, причем, как подумали люди, искусственного происхождения. Спустя двадцать лет другой астроном, Камиль Фламмарион тоже определил особенности поверхности искусственного происхождения, и люди окончательно поверили в то, что на планете может быть жизнь. Восприятие общественности привело к возникновению целого ряда научно-фантастических романов на тему Марса вроде «Войны миров» Герберта Уэллса.

Есть ли жизнь на Марсе?Есть ли жизнь во Вселенной? Одиноки ли мы?

Достижения в области телескопов, которые пришли позже, позволили взглянуть на планету по-новому. Астрономы смогли измерить температуру планеты, определить ее атмосферное содержание и массу. На протяжении 1960-х годов, Советский Союз пытался отправить восемь зондов к Марсу, но ни разу так и не достиг успеха, хотя в 1970-х годах на Марс успешно прибыли орбитальные аппараты. NASA безуспешно попыталась отправить к Марсу Mariner 3, а вот Mariner 4, запущенный в 1964 году, успешно облетел планету и показал, что она мертва. И все же, вслед за этими разведчиками, миссии «Викингов» стали настоящим первым вторжением: 20 июля 1976 года зонд приземлился на Красную планету для проведения беспрецедентной миссии, которая продлилась до 1982 года. Вскоре за ним последовал «Викинг-2», приземлившийся на Марс в сентябре 1976 года и проработавший до 1980.

Несмотря на успех миссии, только в 1997 году на Марс был выгружен первый передвижной ровер в рамках миссии Mars Pathfinder. Последовавшая за ним миссия Mars Climate Orbiter провалилась из-за человеческой ошибки, а еще несколько марсианских зондов просто не долетели. В 2004 году NASA запустила марсоходы «Спирит» и «Оппортьюнити», которые оказались не в пример успешными. В 2012 году на смену этим роверам прибыл «Кьюриосити», который до сих пор работает.

Кто открыл Юпитер

Крупнейшую планету нашей Солнечной системе, Юпитер, наблюдают с самых древних времен. Она помогала китайцам вести 12-летний цикл, и ее назвали в честь царя римских богов. Также она была целью многих астрономов. Галилей первым наблюдал четыре главных спутника Юпитера, теперь известные как галилеевы луны: Ио, Европа, Ганимед и Каллисто, названные в честь любовников Зевса. Астроном Роберт Гук обнаружил крупную систему бурь на газовом гиганте, а в 1665 году это подтвердил Джованни Кассини, параллельно впервые заметив Большое Красное Пятно, которое формально было обнаружено в 1831 году. Не имея под собой твердой почвы, бури на Юпитере бушуют как только могут. Астрономы Джованни Борелли и Кассини, используя орбитальные таблицы и математику, обнаружили нечто странное: будучи в оппозиции к Земле, Юпитер на семнадцать минут опаздывает относительно расчетов, что говорит о том, что свет не является мгновенным явлением, а имеет задержку.

Чтобы не пропустить ничего интересного из мира высоких технологий, подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram. Там вы узнаете много нового.

В 1900-х годах наблюдения привели к другим открытиям: используя радиотелескоп для изучения Крабовидной туманности с 1954 по 1955 год, астроном Бернард Берке обнаружил помехи с одной части неба и в конце концов выяснил, что Юпитер излучает волны вместе с излучением планеты. В 1973 году миссии «Пионера» стали первыми зондами, пролетевшими мимо планеты и сделавшими ряд близких снимков. В 1977 году с Земли были запущены две миссии зондов «Вояджер-1» и «Вояджер-2», предназначенные для изучения внешних планет Солнечной системы. Первый из них достиг Юпитера двумя годами позже: «Вояджер-1» прибыл в марте 1979 года, а «Вояджер-2» — в июле 1979 года. Оба обнаружили много полезной информации о планете и ее спутниках, прежде чем отправиться дальше, нашли небольшую систему колец и дополнительные спутники. В 1992 году к Юпитеру прибыла миссия «Улисс»; в 1995 году на орбиту планеты вышли зонды «Галилей»; «Кассини» пролетел в 2000 году, а «Новые горизонты» — в 2007. В 1994 году ученые также наблюдали нечто невероятное: в южный горизонт Юпитера врезалась планета Шумейкера-Леви, оставив огромный шрам в атмосфере планеты. В настоящее время предпринимаются попытки изучать спутники Юпитера, некоторые из которых могут быть прекрасными кандидатами для жизни.

Как открыли Сатурн

Шестая планета от Солнца, возможно, самая интересная и является последней классически признанной планетой: римляне назвали ее в честь своего бога земледелия. И только в 1610 году Галилей обратил внимание на самую яркую особенность планеты. Изучая ее свойства, он решил, что наткнулся на несколько орбитальных спутников. Но в 1655 году Христиан Гюйгенс, вооружившись более мощным телескопом, выяснил, что эта особенность представляет собой кольца, окружающие планету. Вскоре после этого он нашел первый спутник Сатурна, Титан. В 1671 году Джованни Кассини нашел четыре дополнительных луны: Япет, Рею, Тетис и Диону в разрывах между кольцами планеты, после чего его осенило: эти кольца состояли из частиц поменьше. В 1789 году немецкий астроном Уильям Гершель отметил еще две луны: Мимас и Энцелад, а за следующие сто лет были найдены еще два спутника: Гиперион в 1848 году и Феба в 1899.

Когда NASA начало исследовать внешние планеты, Сатурн сначала посетил зонд «Пионер-11» в сентябре 1979 года, сделав несколько снимков. Зонды-близнецы «Вояджер» прибыли следующими, в 1980 и 1981 годах, обеспечив нас снимками высокого разрешения. Планета стала развилкой для пары зондов: «Вояджер-1» использовал Сатурн для разгона и вылета из Солнечной системы, а «Вояджер-2» отправился к Урану. Только в 2004 году планета получила следующего посетителя в виде миссии «Кассини», которая до сих пор изучает планету и ее спутники.

Когда нашли Уран

Седьмую планету, Уран, было сложно найти без помощи телескопов, поэтому ее история не такая длинная, как у других планет. Наблюдая за небесами в декабре 1690 года, астроном Джон Фламстид первым обнаружил планету, но решил, что это звезда 34 Tauri. И только 31 марта 1781 года Гершель первым решил, что эта звезда на самом деле является кометой. Дальнейшее изучение этой «кометы» привело к тому, что она оказалась планетой. Гершель назвал ее Georgium Sidus в честь короля Георга Третьего, но в конце концов планета получила название Урана в честь Хроноса. Открытие было беспрецедентным: нашли самый далекий объект в Солнечной системе. В 19 веке астрономы отметили кое-что странное в орбите этого объекта: он не отвечал математическим теориям и отклонялся от своего курса. Очевидно, на него оказывало влияние что-то еще, дальше в Солнечной системе.

Но самой необычной особенностью планеты была ее ориентация: вместо того чтобы вращаться как другие планеты в системе, Уран лежит и вращается на боку. Причина этого неизвестна; в качестве теории выдвигают планетарное столкновение. В 2009 году члены Парижской обсерватории предположили, что когда планета была в зародышевом состоянии, в планетарном диске сформировалась луна, которая раскачала планету. В 1986 году зонд «Вояджер-2» прошел мимо Урана, изучив атмосферу планеты и открыв ряд дополнительных спутников и кольцевую систему. Он стал первым и единственным зондом, достигшим этой планеты; в настоящее время не планируется никаких дальнейших миссий.

Кто нашел Нептун

Последняя «официальная» планета в нашей Солнечной системе — это Нептун. Вращаясь в 30 а. е. от Солнца, он стал первой планетой, которая была обнаружена с помощью математических расчетов, а не прямых наблюдений. Изучая Уран, астрономы обнаружили, что планета не соответствует их прогнозам, и попытались решить этот вопрос. На тот момент уже было известно, что орбита планеты подвержена влиянию других крупных тел Солнечной системы, но даже при всем этом, Уран нарушал ожидания. В 1835 году комета Галлея достигла перигелия чуть позже, чем предполагалось, что привело астрономов к мысли о том, что существует дополнительный объект в системе, который и оказывает влияние на Уран.

Астрономы начали искать дальше, чтобы объяснить движение планеты. В Англии и Франции были свои астрономы, которые первые наткнулись на след: Джон Коуч Адамс и Урберн Леверье. С 1843 по 1845 годы Адамс проделал верные расчеты, но был отвергнут Королевским астрономическим обществом. Леверье пришел к подобному решению и обратился к Иоганну Готфриду Галле, который, следуя инструкциям Леверье, обнаружил новую планету там, где и было предсказано, 23 сентября 1846 года. В следующем месяце английский астроном обнаружил спутник Нептуна Тритон. Солнечная система увеличилась в размерах в два раза вместе с открытием.

Все самые свежие новости из мира высоких технологий вы также можете найти в Google News.

Нептун был посещен зондом «Вояджер-2» 25 августа 1989 года, где тот взял показания планеты и отправился изучать Тритон, рядом с которым также нашел луну Нереиду. В то же время было обнаружено, что планета была очень теплой, гораздо теплее, чем ожидалось, и обладает турбулентной атмосферой с Большим Темным Пятном, похожим на юпитерианское Большое Красное Пятно. Посетив Нептун, «Вояджер-2» покинул Солнечную систему и отправился в глубокий космос.

Наука

Вы можете подумать, что для того, чтобы найти планету, вращающуюся вокруг удаленной звезды, обязательно требуется иметь огромные телескопы, которые будут настолько мощными, что смогут засечь даже самые тусклые и мелкие детали. Почему же в таком случае не построить по-настоящему огромный телескоп, который мог бы сделать огромное количество открытий?

Обнаружить такие чужие миры довольно тяжело, так как они находятся очень близко к ярким звездам, свет которых не позволяет видеть их. Также, если экзопланета расположена достаточно далеко от своей родительской звезды, незначительный свет, который она отражает, будет слишком слабым, чтобы его можно было засечь даже с помощью самого огромного телескопа. Поэтому для того, чтобы действительно найти планету, требуется применить невероятно изобретательные косвенные техники. Только 7 процентов экзопланет были открыты с помощью прямых наблюдений.

Методы открытия новых планет: метод Доплера

Удаленные звезды действуют на планеты своими гравитационными силами, таким образом, удерживая их на орбите, но гравитация самих планет также заставляет их притягиваться к звезде. Если силы гравитации равны, два небесных тела вращаются вокруг одной и той же точки. Эта центральная точка будет находиться в определенном месте, в зависимости от массы обоих объектов.

Звезда будет отходить от своего центра масс совсем немного, подобно тому, как отклоняется от центра спортсмен-метатель, когда делает оборот перед бросанием молота. Изучая свет, излучаемый звездой, мы можем заметить легкие движения и определить изменения положения спектральных линий. Измерение этих изменений позволяет определить приблизительную массу планеты. Этот метод обнаружения экзопланет называется Метод радиальных скоростей или Метод Доплера.

Астрометрия выступает дополнением этого метода, когда гравитационные колебания слишком большие для телескопов, что не позволяет увидеть изменение положения звезды в то время, когда на ее орбите находится экзопланета. Однако изменение положения звезды обычно настолько малозначительно, что использование этого метода оказывается проблематичным.

В случае с «супер-Землей» HD40307g, эта экзопланета была открыта с помощью инструмента под названием HARPS (англ. Europe’s High Accuracy Radial velocity Planet Searcher), спектрографом, установленным в Европейской обсерватории Ла-Силла в Чили, который способен почувствовать самые слабые изменения звездного спектра, таким образом, позволяя доказать существование экзопланеты в обитаемой зоне.

Нейтронные звезды пульсары и их планеты

В некоторых особых случаях похожий метод используется для определения наличия планет рядом с пульсарами – быстро вращающимися экстремально плотными нейтронными звездами. Во время их вращения звезды выделяют интенсивные радиационные излучения в виде лучей, которые похожи на лучи света маяка. Если Земля оказывается в том положении, когда на нее падает этот луч света, то земные наблюдатели могут заметить пульсацию энергии. Именно благодаря такой пульсации эти звезды получили свое название – пульсары.

Присутствие планеты на орбите звезды пульсара вызывает колебания ее света из-за гравитационных сил планеты, что влияет на «расписание» пульсации. Измерив изменчивость пульса, можно определить орбитальные характеристики и массу планеты.

Методы открытия новых планет: Транзитный метод

В других случаях орбита экзопланеты выстраивается так хорошо, что ее можно наблюдать с выгодной позиции на Земле. Когда планета идет транзитом перед своей родительской звездой, она заслоняет ее свет, и земной наблюдатель, видя звезду, может также в этот момент засечь и планету. Измерив изменение светимости звезды во время транзита планеты, можно определить физические размеры этой планеты и даже ее физические свойства. Эта техника называется Транзитный метод.

Космический телескоп НАСА «Кеплер» был сконструирован для того, чтобы обнаруживать самые незначительные колебания в светимости звезд, когда экзопланеты идут впереди них транзитом. В настоящее время с помощью этого телескопа удалось засечь уже около 2300 экзопланет-кандидатов (хотя эти сигналы еще требуется проверить) на небольшом участке Млечного Пути.

В системах с множеством планет исследователи используют Метод вариации времени транзитов (TTV). Небольшие отклонения в орбитальных периодах показывают наличие поблизости еще одной планеты, которая может быть невидима наблюдателю.

Очень редко используется метод под названием Гравитационное микролинзирование, когда звезда проходит перед другой, более отдаленной звездой. Гравитационное поле более близкой к нам звезде заставляет свет более дальней звезды как бы огибать ее, наподобие увеличительной линзы. В данном случае можно определить всплески светимости ближней звезды. Если возле ближней звезды имеется экзопланета, ее гравитация повлияет на эффект линзирования.

Существуют и другие косвенные методы обнаружения экзопланет возле далеких звезд, но наверное самым верным является прямое наблюдение, которое пока остается сложным методом. С развитием технологий в будущем, скорее всего можно будет наблюдать за экзопланетами напрямую, а пока эти миры мы можем только рисовать в своем воображении.

Наша Галактика состоит из огромного количества звезд — не менее 100 млрд, включая Солнце. Если представить, что вокруг каждой звезды вращается минимум одна планета, то количество неоткрытых экзопланет представляется астрономическим. При этом ученые предполагают, что у каждой звезды есть своя система, в которую входит сразу несколько планет. В таком случае количество экзопланет внутри одного Млечного Пути может составлять триллионы.

Тысячи лет до нашего поколения люди догадывались о существовании планет за пределами Солнечной системы. Сейчас мы точно знаем, что экзопланеты существуют и их много, но все еще не можем добраться ни до одной из них. У ближайшей к Земле звезды — Проксима Центавры — есть минимум одна планета. Вероятно, это планета земного типа, и на ней может находиться вода. Но лететь до нее придется более четырех световых лет, при этом ученые пока не могут с точностью описать свойства планеты и сказать, подходит ли она для жизни. Остальные экзопланеты находятся на расстоянии сотен или тысяч световых лет от нас, и посетить их пока нет никакой возможности.

С момента открытия первой экзопланеты прошло почти 30 лет, но мы до сих пор не знаем о всем разнообразии существующих планет. Поэтому их деление скорее условно.

Газовые гиганты

В космосе встречаются газовые гиганты, наподобие Юпитера и Сатурна. Сейчас известно о 1367 экзопланетах такого типа. Самые известные из них:

51 Pegasi b — газовый гигант с атмосферной температурой более 1000 °C. Первая открытая планета из тех, что вращаются вокруг звезд солнечного типа.

KELT-9 b — cамая горячая известная экзопланета. Температура на дневной стороне может подниматься до 4600 °C. Находится на расстоянии 667 световых лет от Земли.

Нептунианские экзопланеты

Маленькие планеты с атмосферой, на которых преобладают водород и гелий. Открыто 1484 планеты, самые известные:

Kepler-1655 b — экзопланета, похожая на Нептун. Полный оборот вокруг звезды (то есть, один год) на Кеплере, проходит за 11,9 дней. Экзопланету открыли в 2018 году.

GJ 436 b — экзопланета, которая находится относительно близко к Земле: лететь до нее придется 32 года.

Суперземли

Экзопланеты из газа, горных пород и их комбинаций, которые в несколько раз больше Земли. Открыто 1346 планет, самые известные:

Barnard’s Star b — вторая самая близкая к Земле экзопланета, лететь до нее шесть лет. Планету открыли в 2018 году. Она в 3,2 раза больше нашей планеты. Звезда, вокруг которой вращается экзопланета, дает ей только 2% энергии, которую получает Земля от Солнца.

GJ 15 A b — экзопланета, которая вращается вокруг звезды красного карлика в 11 световых годах от Земли. В ее системе есть еще одна планета, что делает ее ближайшей к нам суперземлей со своей системой.

Планеты земного типа

Скалистые тела, похожие на Землю, Марс или Венеру. Открыто 164 планеты, самые известные:

TRAPPIST-1 e — ее масса составляет 60% массы Земли, а год на планете длится 6,1 дня. Планету открыли в 2017 году.

TRAPPIST-1 d — как и Земля — третья планета от своей звезды. Скалистая планета с температурой поверхности около 2290 °C.

Если у кого-то что-то и ассоциируется со словом «экзопланета», то обычно это что-то вроде «планета, похожая на Землю». На самом деле экзопланета — это просто любая планета за пределами нашей Солнечной системы.

Что такое экзопланета

Для того чтобы некое небесное тело можно было считать планетой, оно должно удовлетворять трем требованиям. Во-первых, оно должно вращаться вокруг звезды (вокруг Солнца, а если вокруг другой звезды — это как раз таки будет экзопланета). Но на примере нашей Солнечной системы мы знаем, что вокруг Солнца вращается еще много чего — например, пояс метеоритов.

Поэтому добавляем во-вторых: масса планеты должна быть меньше массы звезды (то есть там не должны идти самоиндуцированные термоядерные реакции), но больше массы астероида, иначе собственной гравитации будет недостаточно для того, чтобы небесное тело стало округлым.

Наконец, в-третьих, вблизи орбиты планеты должно быть пространство, свободное от других тел. Именно из-за этого Плутон в 2006 году разжаловали из планет в карликовые планеты — рядом с его орбитой много похожих тел, просто Плутон — одно из самых больших.

Несмотря на то что звезд на небе очень много и по аналогии с Солнечной системой может показаться, что вокруг них должно быть полно экзопланет, сейчас науке известно всего лишь чуть более 2000 объектов такого рода. Да и вообще наука начала заниматься ими удивительно недавно — около 20 лет назад.

[Video:] 20 years of searching for exoplanets. Watch the story of the pioneers.https://t.co/O6nGGFOkKb#K2SciCon pic.twitter.com/g4ViX8h6js

— NASA Kepler and K2 (@NASAKepler) November 5, 2015

Хотя сложно сказать, в каком именно году открыли первую экзопланету. Можно считать, что в 1995-м — именно тогда швейцарские ученые Майор и Келос с точностью доказали, что на орбите звезды Peg 51 есть планета, напоминающая Юпитер. В 1993-м польский астроном Александр Вольщан обнаружил что-то вроде экзопланеты возле нейтронной звезды, но поскольку нейтронная звезда — не совсем звезда, то и найденный объект нельзя в полной мере считать экзопланетой.

В 1989 году была обнаружена сверхмассивная то ли экзопланета, то ли коричневый карлик (тут пока нет определенности), но ее существование подтвердили только в 1999-м. Ну а в 1988-м была найдена экзопланета в созвездии Цефея, но то, что это действительно планета, было подтверждено только в 2002-м.

Exploring the Borderland Where Stars and Planets Meet
ManyWorlds via @nexssinfohttps://t.co/UewnueCSnG pic.twitter.com/Oqrr1N857J

— NASA Kepler and K2 (@NASAKepler) December 16, 2015

В общем, область молодая, поэтому сейчас ученые активно занимаются поиском и изучением экзопланет. И искать их можно несколькими способами.

Как ищут экзопланеты

Первый вариант — следить за движением звезды. Дело в том, что звезда и планета взаимодействуют между собой. То есть не планета вращается вокруг звезды, а на самом деле вся эта система вращается вокруг своего центра масс, расположенного где-то поблизости от центра звезды.

Планета слишком мала, чтобы с Земли или находящихся неподалеку спутников можно было бы измерять какие-либо ее параметры, а вот спектр свечения звезды получить можно. Ну а поскольку звезда, как мы только что выяснили, движется, в этом спектре будет наблюдаться доплеровский сдвиг — если его изолировать и измерять в течение достаточно продолжительного времени, можно получить период вращения звезды. Ну а оценив массу звезды и зная период вращения, можно получить массу планеты. Вуаля, мы открыли экзопланету! В общем-то, примерно половина известных экзопланет была открыта именно так.

20 лет с момента открытия 51 Пегаса b pic.twitter.com/VmNMIqgezM

— Космос и Астрономия (@astrogid) October 7, 2015

Более простой на словах, но более сложный на деле способ — пронаблюдать прохождение планеты по диску звезды. Если расположить телескоп в предполагаемой плоскости орбиты планеты, рано или поздно мы заметим, что свечение звезды станет чуть слабее из-за ее частичного затмения планетой.

Проблема в том, что характерное значение падения блеска звезды в этом случае — примерно 0,0002%. То есть, во-первых, нужны очень высокоточные приборы. А во-вторых, как известно, на звезде бывают пятна, которые при таком способе измерений легко принять за искомую планету. Ну и в-третьих, между телескопом и звездой попросту мог пролетать космический мусор, частично затмив ее, и это тоже нужно не принять за планету.

Еще один способ называется микролинзированием. Согласно современной теории гравитации, тела искажают пространство вокруг себя, и чем массивнее тело, тем больше эти искажения. В результате, если между наблюдателем и исследуемым небесным телом пролетает некий массивный объект, из-за искажения можно наблюдать усиление свечения исследуемого тела — этакую вспышку.

Но видно ее, только если объект-линза светится достаточно слабо. То, что ситуация будет удовлетворять всем этим условиям, — событие маловероятное, так что следить надо сразу за многими звездами: вдруг с какой-то это произойдет? Это стало возможным с появлением ПЗС-матриц с большим количеством пикселей.

Космический телескоп Kepler снова работает: http://t.co/BlcHpRfFSh. И уже даже успел обнаружить экзопланету. pic.twitter.com/O0S0NAJldd

— Гиктаймс (@GeekTimes_ru) December 19, 2014

Микролинзирование удобно по двум причинам. Во-первых, это самый надежный способ. Во-вторых, для того, чтобы обнаружить экзопланету при помощи микролинзирования, не нужно находиться в плоскости орбиты этой планеты.

Четвертый способ может выглядеть немного курьезно, тем не менее он работает — это определение наличия планеты по так называемому таймингу. Идея вот в чем: если вы наблюдаете какой-то циклический процесс с участием небесных тел, но его цикл почему-то сбивается, значит, в процессе принимает участие еще какое-то небесное тело, которое влияет на этот цикл. Вполне возможно, что это экзопланета. Таким образом можно открывать экзопланеты возле двойных звезд или пульсаров — систем с хорошо прослеживаемыми циклами.

Астрономы обнаруживают десятый по счету «Татуин», совершающий транзитhttp://t.co/CKtlVqGfaN pic.twitter.com/deKeCECXzb

— Молния Наука (@molnianauka) August 8, 2015

Еще пара способов, значительно менее распространенных, — это измерение точного местоположения звезды и непосредственное наблюдение экзопланет на снимках, сделанных телескопами.

Зачем ищут экзопланеты

Почему люди ищут и исследуют экзопланеты, в общем-то, вполне понятно. Человечество с незапамятных времен привлекал космос, и, как только оно могло начать изучение каких-либо новых космических объектов, оно без промедления начинало. Так было со звездами, со Вселенной целиком, так же вышло и с планетами.

Ну и конечно, людей всегда интересовал вопрос существования жизни где-то помимо Земли. Так где же ей существовать, если не на экзопланетах? Собственно, многие потому и ассоциируют слово «экзопланета» с «планетой, похожей на Землю», — самое громкое освещение в новостях получают открытия экзопланет, расположенных в так называемой обитаемой зоне. То есть там, где не слишком горячо и не слишком холодно для существования жизни, основанной на воде.

«Не слишком горячо и не слишком холодно» задает некий диапазон расстояний до звезды, вокруг которой обращается экзопланета. Если удается получить спектр отражения этой экзопланеты, можно узнать, есть ли на ней вода. Правда, пока это получается только предполагать исходя из параметров планеты.

Например, не так давно телескопом Kepler на границе созвездий Лебедя и Лиры была открыта экзопланета Kepler-452b, которую в NASA на радостях окрестили Новой Землей.

«Двойник» Земли Kepler-452b: http://t.co/AD4m4ElXBZ. Первая экзопланета, чьё существование считается доказанным. pic.twitter.com/6dkhNdMRPk

— Гиктаймс (@GeekTimes_ru) July 24, 2015

Звезда, вокруг которой вращается Kepler-452b, всего на 10% тяжелее Солнца, период обращения вокруг нее открытой экзопланеты составляет 385 суток, а траектория ее движения совпадает с орбитой Земли. Kepler-452b имеет твердую поверхность, а ее масса на 60% больше массы нашей планеты. То есть она действительно в достаточной мере похожа на Землю.

Вот только находится она от нас на расстоянии 1400 световых лет. Для сравнения: ближайшая к нам звезда (кроме Солнца) расположена на расстоянии 4,2 светового года. Но выяснить, есть ли жизнь на Kepler-452b, все равно интересно. Вдруг действительно есть?