Как учёные находят экзопланеты

Экзопланеты — это планеты, расположенные за пределами Солнечной системы. Большинство из них невозможно увидеть напрямую: они слишком далеко находятся от Земли и почти теряются в ярком свете своих звёзд. Поэтому астрономы обнаруживают такие миры по косвенным признакам — небольшим изменениям яркости звезды, её движения или спектра излучения.

С помощью этих методов уже открыты тысячи экзопланет, включая каменистые миры размером с Землю, гигантские газовые планеты и объекты, которые не имеют аналогов в нашей Солнечной системе.

Почему экзопланеты так трудно обнаружить

Главная проблема — огромные расстояния и слабое излучение самих планет. Даже ближайшая известная экзопланета, Проксима Центавра b, находится примерно в 4,2 светового года от Земли. Это около 40 триллионов километров.

В отличие от звёзд, планеты обычно не производят собственного видимого света, а отражают излучение своих светил. При этом звезда может быть в миллионы и даже миллиарды раз ярче обращающейся вокруг неё планеты.

Поэтому большинство открытий сделано без непосредственного наблюдения экзопланеты. Вместо этого телескопы регистрируют едва заметные изменения в свете звезды, которые могут указывать на присутствие невидимого спутника.

Транзитный метод — поиск планет по затемнению звезды

Самый результативный способ обнаружения экзопланет — транзитный метод. Он основан на простом явлении: когда планета проходит между своей звездой и наблюдателем, она закрывает небольшую часть звёздного диска.

Яркость звезды при этом немного уменьшается. Если такие падения повторяются через одинаковые промежутки времени, это может указывать на обращающуюся вокруг неё планету. Например, если планета размером с Землю проходит перед звездой размером с Солнце, яркость звезды уменьшается примерно на 0,0084%. Для человеческого глаза такое изменение незаметно, но чувствительные приборы способны его зарегистрировать.

Именно по этому принципу работал космический телескоп «Кеплер», а также обнаруживает планеты аппарат TESS. Транзитный метод позволил найти тысячи далёких миров. По глубине падения яркости астрономы определяют отношение размеров планеты и звезды, а по промежуткам между транзитами — орбитальный период. Зная характеристики звезды, можно рассчитать приблизительный радиус планеты и параметры её орбиты.

Однако метод имеет ограничение: орбита должна быть расположена так, чтобы планета проходила перед звездой с точки зрения земного наблюдателя. Если мы видим планетную систему под другим углом, транзитов не будет.

Метод радиальных скоростей — как планета заставляет звезду двигаться

Планета не просто обращается вокруг звезды. Оба тела движутся вокруг общего центра масс, поэтому гравитация планеты заставляет звезду немного колебаться. Эти движения можно обнаружить по изменению спектра звёздного света. Когда звезда приближается к наблюдателю, длины волн немного уменьшаются. Когда удаляется — увеличиваются. Это проявление эффекта Доплера.

Современные спектрографы способны измерять чрезвычайно небольшие изменения скорости звезды, иногда составляющие менее одного метра в секунду. Метод радиальных скоростей особенно эффективен для поиска массивных планет, расположенных сравнительно близко к своим звёздам. Именно таким способом в 1995 году была открыта 51 Пегаса b — первая подтверждённая экзопланета у звезды, похожей на Солнце.

Этот метод также помогает определять массу планеты. Если известен наклон её орбиты, астрономы могут рассчитать истинную массу, а затем сопоставить её с радиусом, полученным транзитным методом. Так исследователи определили необычно высокую плотность экзопланеты HD 114082 b, масса которой примерно в восемь раз превышает массу Юпитера при сопоставимых размерах.

Можно ли сфотографировать экзопланету напрямую

Да, хотя это значительно сложнее, чем обнаружить её по транзитам или движению звезды. Для прямого наблюдения астрономы используют специальные приборы, подавляющие яркий свет звезды. Один из таких инструментов — коронограф, который закрывает центральный источник света и позволяет искать гораздо более слабые объекты рядом с ним.

Лучше всего таким способом обнаруживаются молодые массивные планеты, находящиеся далеко от своих звёзд. Они ещё сохраняют тепло после формирования и сравнительно ярко излучают в инфракрасном диапазоне. Например, в 2025 году астрономы непосредственно обнаружили формирующуюся экзопланету WISPIT 2b внутри протопланетного диска молодой звезды на расстоянии около 430 световых лет.

Однако даже самые качественные изображения далёких планет обычно не показывают горы, океаны или континенты. Экзопланета чаще выглядит как небольшая светящаяся точка.

Как находят планеты с помощью гравитации

Ещё один способ поиска называется гравитационным микролинзированием. Когда одна звезда проходит почти точно перед другой, более далёкой, гравитация ближней звезды искривляет проходящий рядом свет. В результате яркость фоновой звезды временно увеличивается.

Если у ближней звезды есть планета, её гравитация может создать дополнительное кратковременное изменение яркости. Такой метод позволяет обнаруживать планеты, которые трудно найти другими способами, включая сравнительно холодные миры на далёких орбитах.

Но есть недостаток: необходимое расположение звёзд возникает редко, а само событие обычно не повторяется. Поэтому наблюдения приходится проводить одновременно за огромным количеством звёзд.

Как астрономы узнают состав атмосферы экзопланеты

Обнаружение планеты — только первый этап. Следующая задача заключается в определении её физических характеристик.

Когда экзопланета проходит перед звездой, небольшая часть звёздного света может проникать через верхние слои её атмосферы. Разные молекулы поглощают излучение на определённых длинах волн, оставляя характерные особенности в спектре. Так можно искать признаки водяного пара, углекислого газа, метана и других веществ.

Современные телескопы позволяют изучать атмосферы некоторых далёких миров. Например, исследования с помощью «Джеймса Уэбба» показали, насколько важны даже слабые атмосферные процессы: наблюдения позволили подтвердить наличие дымки в атмосфере Плутона, хотя этот объект находится внутри Солнечной системы.

Для экзопланет задача значительно сложнее из-за расстояний и слабости сигнала. При этом обнаружение воды, кислорода или метана само по себе не доказывает существование жизни. Эти вещества могут возникать и в результате небиологических процессов.

Как учёные подтверждают открытие новой планеты

Одного необычного сигнала недостаточно, чтобы объявить об открытии экзопланеты. Падение яркости звезды может быть вызвано не планетой, а другой звездой, проходящей перед ней, или особенностями самой звезды. Похожие изменения возникают из-за звёздных пятен и других процессов.

Поэтому астрономы проверяют периодичность сигнала, изучают спектр звезды и по возможности используют несколько независимых методов. Например, транзит позволяет определить размер планеты, а измерения радиальной скорости — оценить её массу. Вместе эти данные дают возможность рассчитать среднюю плотность и предположить, является ли объект каменистым миром или газовым гигантом.

Исследователи продолжают разрабатывать и новые способы поиска, включая обнаружение экзопланет по признакам их магнитных полей.

Сколько экзопланет может существовать в нашей Галактике

Открытые экзопланеты составляют лишь небольшую часть всех планет Млечного Пути. Статистические исследования показывают, что планеты чрезвычайно распространены. В среднем в нашей Галактике их может быть не меньше, чем звёзд, а общее количество, вероятно, исчисляется сотнями миллиардов.

При этом разные методы обнаружения имеют собственные ограничения. Транзитные наблюдения чаще выявляют планеты на коротких орбитах, а прямые изображения лучше подходят для молодых массивных объектов, удалённых от своих звёзд.

Поэтому известная выборка экзопланет не отражает точного соотношения всех типов планет в Галактике. Для оценки их распространённости учёные учитывают чувствительность приборов и вероятность обнаружения каждого типа объекта.