Что такое экзопланеты и как учёные их находят

Ещё несколько десятилетий назад фраза «планеты у других звёзд» звучала как научная фантастика. Сегодня мы точно знаем: планетные системы — не редкость, а скорее правило. Их тысячи, и каждое открытие добавляет крупицу к ответу на вопрос, одиноки ли мы во Вселенной. Разберёмся, что такое экзопланеты, какими они бывают и с помощью каких хитростей астрономы находят их на расстоянии десятков, сотен и тысяч световых лет.

Что такое экзопланета

Экзопланета — это планета, которая обращается не вокруг Солнца, а вокруг другой звезды или её остатка. Приставка «экзо» означает «внешний»: всё, что находится за пределами нашей Солнечной системы. При этом планеты бывают очень разными, и поначалу их внешний вид удивлял астрономов куда сильнее, чем можно было ожидать.

Встречаются, например:

• Газовые гиганты, похожие на Юпитер и Сатурн, но иногда расположенные так близко к своей звезде, что год на них длится несколько суток.
• Суперземли — каменистые миры в несколько раз массивнее нашей планеты.
• Мини-нептуны — плотные тела с толстыми оболочками газа.
• Ледяные и океанические планеты, где вода может существовать в жидком виде под ледяной корой.

Отдельная категория — планеты-сироты. Они не связаны ни с одной звездой и одиноко дрейфуют в межзвёздном пространстве. Их тоже относят к экзопланетам, хотя формально это уже не планеты в привычном смысле, а самостоятельные блуждающие миры.

Как началась экзопланетная астрономия

Первое подтверждённое открытие случилось в 1992 году, и оно оказалось неожиданным. Астрономы Александр Вольщан и Дейл Фрайл обнаружили планеты не у обычной звезды, а у пульсара — быстро вращающейся нейтронной звезды. Учёные заметили крошечные, но строго регулярные отклонения в её радиоимпульсах.

Настоящий перелом произошёл в 1995 году: Мишель Майор и Дидье Кело нашли планету у звезды 51 Пегаса, похожей на Солнце. Это был «горячий юпитер» — огромный мир, который нёсся по орбите всего за четыре дня. За это открытие в 2019 году учёные получили Нобелевскую премию по физике. С тех пор счёт подтверждённых экзопланет перевалил за пять тысяч, а кандидатов — в разы больше.

Основные методы поиска

Увидеть планету рядом со звездой напрямую почти невозможно: свет звезды в миллиарды раз ярче. Поэтому астрономы ищут не саму планету, а её влияние на звезду или её тень. Вот главные способы.

Транзитный метод

Если орбита планеты развёрнута к нам ребром, она периодически проходит по диску своей звезды. В этот момент яркость звезды слегка падает — на доли процента. Для Юпитера это около одного процента, для Земли — сотые доли процента.

По форме кривой блеска можно узнать размер планеты, период обращения и даже наклон орбиты. Именно так работали телескопы «Кеплер» (с 2009 года) и TESS (с 2018 года), которые нашли тысячи миров. Минус метода — он ловит только те системы, где планета проходит точно между нами и звездой.

Метод радиальных скоростей

Планета притягивает звезду, и та тоже немного «качается» вокруг общего центра масс. Это движение видно в спектре: линии звезды периодически смещаются то в красную, то в синюю сторону — эффект Доплера.

Чем массивнее планета и чем ближе она к звезде, тем заметнее колебания. Современные спектрографы вроде ESPRESSO измеряют скорость звезды с точностью до десятков сантиметров в секунду. Метод даёт минимальную массу планеты, и вместе с транзитным он позволяет вычислить плотность мира — а значит, понять, каменистый он или газовый.

Гравитационное микролинзирование

Иногда звезда-«линза» случайно проходит перед более далёкой звездой и усиливает её свет за счёт искривления пространства. Если у звезды-линзы есть планета, в кривой блеска появляется короткая дополнительная вспышка. Событие длится часы или дни и никогда не повторяется.

Зато этот метод чувствителен к холодным мирам на широких орбитах — именно там, где транзиты и доплеровские измерения почти бессильны.

Прямое наблюдение

Самый сложный путь — увидеть планету собственным светом. Для этого используют коронографы и специальные маски, которые гасят свет звезды. Так были получены снимки планет у коричневого карлика 2M1207 в 2004 году и сразу четырёх планет у звезды HR 8799 в 2008-м.

Прямые изображения лучше всего удаются для молодых, ещё горячих и крупных планет, находящихся далеко от звезды.

Другие подходы

Астрометрия измеряет крошечные смещения звезды по небу — этим занимается аппарат Gaia. Метод таймингов следит за точностью импульсов пульсаров или за моментами транзитов: если планета чуть «дёргает» соседа, в расписании появляются отклонения.

Что мы уже знаем

Статистика показывает: планеты есть у большинства звёзд. Среди них встречаются не только газовые гиганты, но и небольшие каменистые миры. У красного карлика TRAPPIST-1 нашли сразу семь планет земного размера, а у ближайшей к нам звезды Проксимы Центавра — планету в зоне обитаемости, где вода может быть жидкой.

Разнообразие оказалось настолько велико, что астрономы всерьёз обсуждают, какая из известных типов систем — «норма», а какая — исключение. Похоже, наша Солнечная система не самый типичный пример.

Как изучают атмосферы

Когда планета проходит по диску звезды, часть её света проходит сквозь атмосферу планеты. Разложив этот свет в спектр, можно найти следы молекул: водяного пара, углекислого газа, метана, а иногда и более сложных соединений. Такой транзитной спектроскопией занимаются «Хаббл», а сейчас — космический телескоп «Джеймс Уэбб».

Пока речь идёт о первых намёках, а не о доказательствах жизни, но именно это направление считается одним из самых перспективных в астрономии.

Что дальше

В ближайшие годы к работе подключится европейская миссия PLATO, которая займётся яркими звёздами и планетами в зоне обитаемости. Телескоп «Роман» будет искать миры методом микролинзирования, а аппарат Ariel сосредоточится на изучении атмосфер. Наземные гиганты вроде Чрезвычайно большого телескопа помогут получать прямые снимки и спектры экзопланет.

Экзопланеты перестали быть абстракцией и стали полноценной областью науки. Каждый новый мир — это ещё один штрих к пониманию того, как формируются планетные системы и насколько уникальной может быть наша Земля.