Внесолнечная планета или экзопланета — это планета, вращающаяся вокруг другой звезды и, следовательно, не принадлежащая Солнечной системе. Экзопланеты стали объектом научных исследований в XX веке. Многие астрономы предполагали их существование, но им не хватало средств для их идентификации. Первое подтвержденное обнаружение было сделано в 1992 году с открытием нескольких планет земной массы. Первое подтвержденное обнаружение экзопланеты, вращающейся вокруг звезды главной последовательности было сделано в 1995 году. С тех пор число находок росло из года в год.
По состоянию на 2 июля 2020 года было обнаружено 3092 планетарных систем, содержащие в общей сложности 4171 планет, 671 из этих систем многочисленны, а 155 из этих планет более чем в 13 раз массивнее Юпитера.
Большинство известных экзопланет являются газовыми гигантами. Они равны или более массивны, чем Юпитер. Их орбиты очень близки к их родительской звезде и имеют короткие орбитальные периоды. Такие внесолнечные планеты называются «горячие юпитеры». Тем не менее, экзопланеты, сопоставимые с Землёй, начинают обнаруживаться по мере увеличения возможностей обнаружения и времени исследования. Первой внесолнечной системой, обнаруженной с более чем одной планетой, был Ипсилон Андромеды.
В июне 2010 года НАСА сообщило , что телескоп Kepler, выведенный на орбиту в марте 2009 года, обнаружил признаки 706 новых экзопланет за первые 43 дня работы. 400 из которых имеют размеры между Нептуном и Землей.
Подтвержденная наиболее похожая на Землю экзопланета, обнаруженная на орбите в обитаемой зоне, по состоянию на май 2020 года Тигарден b с индексом сходства с Землей 93% с предполагаемой температурой на 13 ºС выше земной. KOI-4878.01, кандидат на планету, обладает сходством в 98 %. Если её существование будет подтверждено, это будет возможный аналог Земли.
Методы обнаружения
Экзопланеты являются очень тусклыми источниками света по сравнению с их звездами. На видимых длинах волн они обычно имеют менее одной миллионной яркости своей родительской звезды. Чрезвычайно трудно обнаружить этот тип тусклого источника света, и, кроме того, родительская звезда имеет ослепительный свет, который почти делает это невозможным.
По изложенным причинам телескопы непосредственно сфотографировали не более десятка экзопланет. Это было возможно только для планет, которые особенно велики (обычно намного больше, чем Юпитер) и очень далеки от своей родительской звезды.
На данный момент подавляющее большинство известных внесолнечных планет были обнаружены только косвенными методами. Ниже приведены основные косвенные методы, которые оказались полезными:
Радиальные скорости (метод Доплера)
Этот метод основан на эффекте Доплера. Планета, вращаясь вокруг центральной звезды, также оказывает на нее гравитационную силу, так что и звезда вращается над общим центром масс. Колебания звезды могут быть обнаружены незначительными изменениями спектральных линий в зависимости от того, приближается ли звезда к нам (синее смещение) или удаляется (красное смещение). Этот метод был самым успешным в поиске новых планет, но он эффективен только для планетах-гигантах, ближайших к главной звезде. Этот метод может обнаружить только небольшую часть существующих планет.
центра масс. Это звездное движение обнаруживается методом радиальных скоростей.
Астрометрический метод
Поскольку звезда вращается вокруг центра масс, можно попытаться записать изменения положения и колебания звезды. Хотя эти вариации очень малы. В 2002 году космический телескоп Хаббла преуспел в использовании астрометрии для характеристики ранее обнаруженной планеты вокруг звезды Gliese 876.
Транзитный метод
Метод, основанный на наблюдении уменьшения светимости звезды при прохождении планеты на её фоне. Этот метод, как и метод радиальной скорости, более эффективно находит планеты большого объема, но имеет то преимущество, что близость планеты к звезде не имеет значения, поэтому спектр планет, которые он может обнаружить, значительно увеличивается. Технологические достижения в области фотометрии позволили телескопу Kepler иметь достаточную чувствительность для обнаружения планет размером с Землю. В 2011 году в планетарной системе Kepler 20 открыты Kepler 20e и Kepler 20f.
Метод прямого наблюдения
С самого начала получение изображений экзопланет было одной из наиболее желаемых целей исследований. Фотографии в видимом или инфракрасном свете могут выявить гораздо больше информации о планете, чем любая другая известная техника. Однако это оказалось гораздо сложнее технически, чем любой из других доступных методов. Причин этого несколько, но среди основных, находится разница между яркостью звезд и планет. В спектре видимого света, средняя звезда в миллиарды раз ярче любой из ее планет. До недавнего времени ни один детектор не мог идентифицировать планеты по звездному сиянию.
Первая фотография возможной внесолнечной планеты — это инфракрасная фотография, коричневого карлика 2M1207 очень большим телескопом в 2004 году. Это молодая планета большой массы (4 массы Юпитера), вращающаяся вокруг звезды 2M1207 на расстоянии 40 а.е. Эта планета имеет температуру около 2 200 ºС. Её возраст по расчетам составляет 10 миллионов лет.
Общие свойства экзопланет
Программы поиска планет обнаружили планеты, вращающиеся вокруг значительной части звезд, которые они изучали. Однако, общая доля звезд с планетами является неопределенной из-за наблюдательных эффектов отбора. Метод радиальной скорости и транзитный метод более чувствительны к большим планетам на малых орбитах. По этой причине многие известные экзопланеты имеют тип «горячий Юпитер». В настоящее время известно, что от 1% до 1,5% звезд, таких как Солнце, обладают такой планетой. Открытие внесолнечных планет усилило интерес к возможности внеземной жизни. Кроме того, по оценкам, от 3% до 4,5% звезд обладают гигантской планетой с орбитальным периодом 100 дней или менее, где «гигантская планета» означает планету, по крайней мере, в 30 масс Земли.
Доля звезд с меньшими или более удаленными планетами по-прежнему трудно оценить. Предполагается, что маленькие планеты (с аналогичной массой Земли) более распространены, чем планеты-гиганты. Также кажется, что планеты на больших орбитах могут быть более распространенными, чем планеты на небольших орбитах. Согласно такой теории, возможно, 20% звезд имеют, по крайней мере, одну гигантскую планету, а около 40% могут иметь планеты с более меньшими массами.
Независимо от точной доли звезд с планетами, общее количество экзопланет должно быть очень большим. Поскольку наша галактика Млечный Путь имеет около 100 миллиардов звезд, она должна содержать миллиарды планет, если не сотни миллиардов.
По оценкам астрономов, экзопланет размером с Землю в Млечном Пути около 40 млрд, а вращающихся вокруг своих звезд в зоне обитаемости около 11 млрд.
Температура и состав экзопланет
Можно рассчитать температуру экзопланеты на основе интенсивности света, который она получает от своей родительской звезды. Например, планета OGLE-2005-BLG-390Lb имеет температуру поверхности около -220 °C. Тем не менее, эти оценки могут быть ошибочными, потому что они зависят от обычно неизвестного альбедо (отражательная способность поверхности) планеты. На планете HD 189733 b было обнаружено, что она имеет среднюю температуру 932±9 °C на своей дневной стороне и 700±33 °C на своей ночной стороне.
Если планета обнаруживается методом Доплера и транзитным методом, то ее истинная масса и радиус могут быть измерены, и в результате плотность планеты может быть известна. Планеты с низкой плотностью состоят, в основном, из водорода и гелия, в то время как планеты средней плотностью иметь воду. Экзопланета с высокой плотностью скалистая, как Земля и другие земные планеты Солнечной системы.
Спектроскопические измерения могут быть использованы для изучения атмосферного состава транзитной планеты. Таким образом, были обнаружены в атмосферах различных экзопланет: водяной пар, натриевый пар, метан и углекислый газ.
Физические характеристики экзопланет
В первые годы открытия внесолнечных планет большинство из них были своеобразными системами с небольшими орбитальными периодами и эксцентричными орбитами, очень близкими к родительской звезде.
Метод радиальных скоростей способствовал открытию планет-гигантов, очень близких к их звезде, некоторые из них на орбитах, меньших, чем орбита Меркурия. В последние годы астрономы смогли усовершенствовать свои методы, найдя планетные системы, более похожие на наши. Однако значительная часть планетных систем обладает планетами-гигантами на небольших орбитах, сильно отличающимися от нашей Солнечной системы.
Недавно были обнаружены новые экзопланеты с массами, примерно в 15 раз превышающими массу Земли, то есть сопоставимыми с Нептуном, а также планеты в 2 раза превышающие массу Земли. В последние годы были обнаружены планеты с массами, сходными и даже меньшими, чем земные.
Более массивные объекты, близкие к главной звезде, произвели революцию в теориях формирования планет. Существует определенный консенсус в отношении образования этих планет на более внешних орбитах и их ранней миграции на внутренние орбиты. Эта миграция определяется гравитационным взаимодействием с околозвездным диском материала, в котором образуется планета. Существует определенная связь между металличностью родительской звезды и наличием планет.
Классы экзопланет
На сегодняшний день известно о нескольких тысяч экзопланет. Эти планеты делятся на четыре категории:
- Большие, газовые гиганты;
- “Нептуновые миры”;
- “Супер-Земли” больше, чем Земля, но меньше, чем Нептун;
- Планеты земного типа.
