|
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
Заклад освіти
«БРЕСТСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ А. С. ПУШКІНА»
Фізичний факультет
Кафедра теоретичної фізики і астрономії
Курсова робота
за спеціалізацією «Теоретична фізика»
Екзопланети: історія відкриття і сучасні досягнення
Брест 2010
зміст
Вступ
екзопланети
Історія відкриття екзопланет
Сучасні досягнення у відкритті екзопланет
висновок
література
Вступ
Всесвіт - це не тільки зірки і планети. Це значно більше: і колиска розумного життя, і Світовий розум, і взагалі все.
Ми не тільки крапля в океані, який називається Всесвіту. Але ця крапля не загубилася у вселенському океані, вона пов'язана безліччю ниток абсолютно з усім у Всесвіті, ця крапля впливає на все, що відбувається у Всесвіті.
Земна цивілізація не єдина у Всесвіті. Їх безліч. Вони знаходяться на різних рівнях розвитку. Вони випередили нас у розвитку, інші відстають. Але у всіх у нас один Творець - Світовий розум.
Закони розвитку Всесвіту (в тому числі і Землі) визначені. Інших законів ми придумати не можемо. Але ми можемо і повинні, якщо хочемо нормально жити, будувати своє життя (включаючи економіку, промисловість) відповідно до цих законів. А для цього треба їх знати.
Дослідження Всесвіту без сумніву стане однією з найбільш захоплюючих сторінок наукових пошуків 21 століття.
екзопланети
Якщо стародавні вважали Землю центром Всесвіту, то сьогодні космологи питання про унікальність планети Земля пропонують розділити на кілька: чи є планети поза Сонячною системою ?; чи існують планетні системи, аналогічні сонячної ?; чи існують «землеподобні» планети?
Інші планети, які не належать Сонячній системі, в літературі охрестили екзопланетами. Грецька приставка «екзо» означає «поза», «зовні». Є й альтернативна назва таких планет - позасонячна планета (extrasolarplanet).
Планети Сонячної системи утворилися з плоского газово-пилової хмари, що оточував світило. За сучасними оцінками знадобилося біля 60 млн. Років акумуляції речовини, що прийшов в кінцевому рахунку до формування планет. Виділяють дві основні групи планет, які обертаються навколо Сонця приблизно в одній площині. До першої групи із середньою щільністю утворює їх речовини (близько 5 г / см 3) відносяться Меркурій, Венера, Земля і Марс. Друга група складається з планет-гігантів: Юпітера, Сатурна, Урана і Нептуна, усереднена щільність яких становить приблизно 1,4 г / см 3. Плутон не належить ні до однієї із зазначених груп і становить враження чужорідного космічного тіла, «прихопленого» по небесній дорозі гравітаційним полем Сонця в результаті різного роду космічних колізій.
Важливим свідченням єдиного характеру освіти більшості планет Сонячної системи є їх односпрямовані руху практично в одній площині навколо Сонця, повільно обертається в тому ж напрямку.
У ніч на 14 листопада 2003 року межа планет Сонячної системи була як би перенесена і її можна тепер проводити в троє далі від Сонця в порівнянні з тією, що означає орбітою Плутона. Астрономи Паломарской обсерваторії (CША, штат Каліфорнія) виявили небесне тіло, яке отримало назву Седна - честь ескімоски богині моря. Діаметр Седни менш 1700 км і разом з Марсом - вони самі красноокрашенние планети в Сонячній системі. Температура на її поверхні не перевищує -240 ° С. Причина такої «холоднеча» проста - орбіта Седни проходить більш ніж в 13 млрд. Км від Сонця. До Сонця вона наближається раз в 10 тис. 500 років, та й то ненадовго. До того ж Седна в цій точці (перигелії) знаходиться приблизно в 80 а.о. від Сонця, тобто в 80 разів далі, ніж Земля від Сонця.
Відкриття Седни, що розглядається як планетоїд, не настільки виняткова подія. Планетоїди відкривають по кілька разів на рік. Однак таких великих тіл у Сонячній системі не виявляли з 1930 року, коли стало відомо про існування Плутона. І оскільки Седна обертається навколо спільного світила, її можна розглядати в якості рівноправного (хоча і непримітного) родича планет Сонячної системи.
Повний оберт навколо своєї осі Седна робить за 20-30 земних діб. Тільки Меркурій і Венера обертаються повільніше (вони сповільнюються в своєму обертанні гравітаційної силою близького до них Сонця). У майбутні 72 роки Седна наближатиметься до Сонця і відповідно, світиться все яскравіше. А потім по своїй еліптичній орбіті стане віддалятися на периферію Сонячної системи.
В цей же час офіційно розширення пояса планет Сонячної системи ще не відбулося. Міжнародний астрономічний союз (LAU) сформував робочу групу, щоб розглянути визначення мінімального розміру для планети. До того ж дві групи астрономів (іспанська та американська) оголосили про відкриття нового об'єкта, який може виявитися навіть більшим Плутона. Велика частина його орбіти лежить набагато далі Плутона, і він не наближається до Сонця ближче, ніж Нептун.
В цілому такий розвиток подій змушує задуматися над тим, що ж таке Сонячна система? Крім дев'яти планет і їх супутників (плюс міріади астероїдів і комет) в даний час як частина Сонячної системи розглядаються також пояс Койпера і хмара Оорта.
Пояс Койпера - велика область небесної сфери, що лежить за орбітою Нептуна, приблизно від 30 до 100 а.о. від Сонця, населена об'єктами типу астероїдів і ядер комет. Американський астроном Джерард Койпер (1905 - 1973) в 1951 році висловив припущення про існування такого явища. Але тільки в 1922 році був відкритий перший об'єкт пояса Койпера діаметром близько 280 км. До теперішнього часу число відкритих транснептунових об'єктів наближається до тисячі. До числа великих об'єктів пояса Койпера відносяться також такі небесні тіла як Квавар, Иксион, Варуна, Хаос і Седна, що викликали в останні десятиліття жваві дискусії астрономів. За оцінками вчених, можливе існування, принаймні 35 тисяч об'єктів пояса Койпера діаметром більше 100 км. Всі ці об'єкти - не просто далекі дивини. Вони, згідно сучасної точки зору, є не "зіпсованими» залишками газопилової туманності, з якої сформувалася вся Сонячна система. Як очікують дослідники, вивчення їх хімічного складу і розподілу в просторі дає важливі відомості для пошуку моделі ранніх етапів еволюції Сонячної системи.
Хмара Оорта (на ім'я голландського астронома Яна Оорта, який в 1950 році припустив, що Сонячна система оточена гігантським хмарою кометних тіл, що знаходяться на відстані від 20000 до 200000 а.о. від Землі) - скупчення сферичної форми претопланетних тел, залишків епохи освіти Сонця і внутрішніх тіл Сонячної системи. (Ян Оорт першим довів і обертання Чумацького Шляху як цілого.) Невеликі тіла, складові це хмара (можливо, що їх там більше трильйона із загальною масою, приблизно рівною масі Юпітера), повільно, з періодом в мільйони років, обертаються навколо Сонця. Саме звідти, з хмари Оорта, вторгаються в Сонячну систему деякі зі складових їхніх тіл - скупчення кам'яних і крижаних уламків. У міру наближення до Сонця вони починають розігріватися, результатом чого є утворення газового струменя. Такі об'єкти називаються долгоперіодіческімі кометами. В даний час хмару Оорта позиціонує на відстані від 20 до 50 тисяч астрономічних одиниць від Сонця, тобто на далеких кордонах Сонячної системи.
Нещодавно на міжнародній астрономічній конференції в італійському місті Падуї відомий американський вчений Джон Матезе з університету штату Луїзіана висунув гіпотезу, підкріплену математичними розрахунками. На думку дослідника, всередині хмари Оорта ховається «справжня» десята планета Сонячної системи, яка 1.5 - 6 разів масивніша за Юпітер і обертається навколо Сонця на відстані в 25 тисяч а.о. (Приблизно 0.4 світлові роки), здійснюючи один оборот за 4 - 5 мільйонів років.
Але, мабуть, саме сенсаційне полягає в тому, що згідно з цією гіпотезою, ця «невидимка» повинна звертатися по своїй орбіті в сторону протилежну руху планет Сонячної системи. Така орбіта нестійка і ніякої об'єкт на ній не зміг би залишатися поблизу Сонця з часів виникнення Сонячної системи. Але це значить, що в Сонячній системі така планета з'явилася набагато пізніше і представляла собою блукаючі в космосі «безпритульну» планету, яка волею випадку була «захоплена» Сонцем.
Однією з важливих задач астрономії є досягнення розуміння процесу утворення планетних систем навколо тієї чи іншої зірки. Вже очевидно, що утворення планет - не настільки рідкісне явище. На порядку денному - встановлення розмірів «нових» планет, визначення їх орбіт і т.п. Це необхідно для з'ясування процесу зародження планет з пилових дисків, що оточують зірки. Саме вони і поставляють матеріал для формування планет. Але розпізнати досить слабо світяться диски, що складаються з дрібних, виряджених пилових частинок, поки вдалося лише в кількох випадках.
За сучасними уявленнями про хід утворення планет, їх ядро формується з твердих планетезималей (злиплих грудок польових частинок). Коли маса ядра досягає певного критичного значення, маса планети починає швидко зростати як результат акреції міжзоряного газу, що відбувається з високою швидкістю. Цьому процесу сприяє і міграція планети із зовнішніх областей протопланетного диска до його центру.
Планети земного типу мають значно меншу масу, ніж планети-гіганти, у яких основна маса припадає на газову складову.
На самому початку формування планети були нагрітими тілами. Надра планет, в тому числі і Землі, і зараз мають температуру в тисяча градусів за Цельсієм. При охолодженні поверхні і утворюється рельєф поверхні, подібний до того, який ми бачимо на Землі і спостерігаємо на землеподобних планетах. А «наш» Юпітер зовсім лише трохи по масі не «дотягнув» до зірки, щоб в його надрах почалися термоядерні реакції, які і «зробили» б його зіркою.
Можливість існування екзопланет засуджується досить давно. У 1916 році американський астроном Едуард Барнард припустив, що він відкрив планету, яка впливає на рух зірки, названої пізніше на честь першовідкривача зіркою Барнарда. Згодом з'ясувалося, що ця зірка знаходиться на другому місці по віддаленості від Сонця після системи Альфа Кентавра, але планети у неї все ж не виявилося.
Першим підтвердило відкриття екзопланети стало виявлення її у радиопульсара, що знаходиться на відстані в 1000 світлових років від Сонця. Воно було зроблено в 1991 році польським астрономом Алексом Вольцжаном. До 1993 року виявилося присутність поруч з цим пульсаром трьох планет з масами 0.2, 4.3 і 3.6 маси Землі. У 1996 році було встановлено, що є і четверта планета з масою Сатурна. І якщо у перших трьох період обертання навколо нейтронної зірки склав, відповідно, 25, 67, і 98 діб, то у четвертій - близько 170 років. Таким чином, була відразу ж виявлена ціла планетна система.
Виявлена планетна система вважається вельми дивною. Нейтронна зірка виникає в результаті вибуху наднової. У момент вибуху зірка втрачає велику частину своєї маси і виник пульсар не може утримати біля себе планети, якими могла мати масивна зірка. Тому маломасивні супутники, виявлені поруч з Пульсаром RSR1257 + 12, сформувалися після вибуху наднової. Але з чого і як - незрозуміло. Подібного роду планети через неясного походження вважають якимось неповноцінним. До того ж лише ще у одного далекого пульсара, хоча їх відкрито вже більше 1000, виявилося наявність планети. Остання виявилася гігантом, в кілька разів масивніше Юпітера.
Метод виявлення планет має під собою наступну фізичну основу.Обертається нейтронна зірка - пульсар випромінює строго періодичні електромагнітні імпульси. Пульсари - надзвичайно стабільні джерела радіосигналів. Тому радіоастрономи визначають швидкість їх руху з точністю до 1 см в секунду.
Гравітаційний вплив планети призводить до «похитування» пульсара і до періодичного переривання посилається нею радиоимпульса. Відкриття першої «справжньої» екзопланети датується 1995 роком. В основі відкриття - математична обробка комп'ютером отриманих за допомогою телескопа даних спостереження за рухом і світність зірки. Воно було зроблено астрономами Женевської обсерваторії, які вимірювали швидкість руху 142 зірок, схожих за своїми характеристиками на Сонце і знаходяться в «близькості» Землі. В результаті з'ясувалося: зірка 51 в сузір'ї Пегаса, віддалена від Сонця на 50 світлових років, відчуває періодичні «похитування», обумовлені наявністю у неї планети-гіганта. Відстань між планетою і зіркою в 20 разів менше, ніж від Землі до Сонця. Планета мчить з шаленою швидкістю, огибаючи зірку за 4 дні. Через близькість до зірки поверхню планети повинна бути нагріта до 700 градусів за Цельсієм, так би мовити, «Гарячий Юпітер»! Виявилися і інші системи, в яких планети-гіганти утворилися дуже близько до своєї зірки і подібні першовідкривачем цього списку. Для їх позначення в ужиток увійшов термін «гарячий Юпітер». До 2006 року виявлено вже понад 150 таких «гарячих Юпітерів».
Слід в той же час ще раз пояснити сенс терміна «пошуку планет». Зірки спостерігаються за допомогою телескопів, з'єднаних з комп'ютером, який керує процесом згідно створеної для цієї мети програмою. Реєструється електромагнітне випромінювання, що випускається кожною з досліджуваних зірок, яке потім аналізується для встановлення наявності відхилень в їх спектрі. Наприклад, про присутність планети, якщо спостереження ведеться у видимій частині спектру, тобто фіксується світловий потік, може сигналізувати раптове збільшення яскравості зображення зірки. Причина такого явища може бути пов'язана з гравітаційним впливом планети на промені світла, які виходять від «Сонця». Коли вона проходить між своїм «сонцем» і напрямом, в якому знаходиться Земля, тяжіння планети, подібно лінзі, збирає його промені.
Зрозуміло, можливі й інші пояснення таких короткочасних спалахів зірок. Тому так багато було «відкриттів», які істинними відкриттями так і не стали. І потрібні багаторазові перевірки, щоб виключити будь-які сумніви.
Особливі старання астрономів спрямовані на пошук планет, подібних до Землі. У серпні 2004 року удача посміхнулася групі португальських вчених, що працюють в обсерваторії Ла Сілла в Чилі. У сузір'ї жертовника була відкрита планета, яка, на думку дослідників, не є газовим гігантом і має тверду поверхню. Планета робить оборот навколо свого світила за 9.55 доби і знаходиться від нього на відстані 13 мільйонів кілометрів, тобто вдесятеро меншим, ніж Земля від Сонця. Маса її оцінюється приблизно в 14 мас Землі, за розміром вона відповідає приблизно Урану. Планета офіційно поки безіменна, але її вже охрестили Суперземля. Через те, що вона розташована близько до зірки, температура на поверхні оцінюється в 650 градусів за Цельсієм, що занадто багато для можливості виникнення будь-якої з відомих життєвих форм. Її швидше можна розглядати як гігантський аналог Меркурія. На науковому форумі в липні 2004 року в Стокгольмі нове відкриття було названо найважливішим після виявлення в 1995 році першої «справжньої» екзопланети. В цілому виявлення екзопланет стало одним з найбільших досягнень 20-го століття. Стало очевидним: Сонячна система не унікальна. З огляду на, що в нашій Галактиці близько 150 мільярдів зірок, цілком можливо, що у половини з них можуть бути планети. Фахівці в той же час вважають, що незважаючи на інтенсивний розвиток технологій пошуку екзопланет, може пройти не менше десяти років до того, як вчені зможуть виявити планети, подібні до Землі.
Таким чином, формування планет поруч із зірками - закономірний етап розвитку зоряних систем. У той же час Сонячна система багато в чому нетипова. Земля знаходиться в «зоні життя», тобто в області помірних температур на поверхні планети і має біосферою. Таке особливе положення Землі пов'язане з тим, що планети-гіганти Сонячної системи, які рухаються поза «зони життя», дозволяють існувати тривалий час в такій зоні планет земного типу.
У 2003 році за допомогою орбітального телескопа «Хаббл» в сузір'ї Скорпіона була виявлена планета, яку можна вважати найдавнішою з відомих на сьогоднішній день в Чумацькому Шляху. Її вік оцінюється в 13 мільярдів років, тобто вона майже втричі старше Землі, яка сформувалася близько 4.5 млрд. років тому. Планету назвали «Мафусаилу» - на честь біблійного патріарха, який прожив 969 років. Це такий же неймовірний для людини вік, як і вік 13 млрд. Років для планети. Велика частина відомих екзопланет має приблизно той же вік, що і Земля. З точки зору сучасної теорії розвитку Всесвіту, існує часовий поріг утворення планет, що містять важкі елементи. У першому поколінні зірок важких елементів не було, тільки водень і трохи гелію. У міру того, як зірки, витративши своє газове «паливо», вибухали, їх залишки розліталися в усіх напрямках, потрапляючи на поверхні сусідніх зірок. В результаті реакцій термоядерного синтезу утворювалися нові, теж важкі, елементи. «Мафусаїл», імовірно, з легких елементів, так як його формування відбулося в ті часи, коли у Всесвіті не існувало вуглецю і водню. Планета обертається навколо червоного зоряної системи, що складається з двох зірок в кульовому скупченні М4, яке знаходиться на відстані в 5600 світлових років від Землі. Її маса в 2.5 рази більша за масу Юпітера.
Перша фотографія екзопланети отримана в квітні 2004 року на Дуже Великому Телескопі (ESO, Чилі). У вересні того ж року вона була сфотографована і в інфрачервоних променях. Планета обертається навколо молодого яскравого коричневого карлика, який знаходиться на відстані від нас 225 світлових років у сузір'ї Гідри. Планета в п'ять разів масивніша за Юпітер, її діаметр в півтора більше, ніж у Юпітера. Радіус планети приблизно на третину перевищує радіус орбіти Плутона.
У сузір'ї Пегаса у сонцеподібної зірки HD209458, яка знаходиться від Землі на відстані 150 світлових років, є екзопланета, що отримала ім'я Осіріс в честь єгипетського бога родючості. Планета масою 0.69 мас Юпітера і розміром в 1.3-1.5 рази більше Юпітера, обертається на дуже близькій орбіті до зірки на відстані 7 млн. Км. від неї. Поверхня планети нагріта зіркою до 1000 градусів Цельсія. За допомогою телескопа «Хаббл» вдалося виявити в верхніх шарах атмосфери планети вільні атоми вуглецю і кисню.
В силу високої температури поверхні планета подібна величезної комети, так як має величезний шлейф випаровуються газів. Як наслідок, вона постійно втрачає речовину, і врешті-решт від неї може залишитися лише невеличке тверде ядро.
Дослідження таких «гарячих Юпітерів» має безпосереднє відношення до перевірки однієї з моделей виникнення малих твердих планет, подібних до Землі. Можливо, що наша планета в початковий момент формування Сонячної системи також була подобою газового гіганта з розмірами навіть більше Юпітера, але з меншою щільністю. «Сонячний вітер», що виник в момент, коли в ході еволюції в ядрі молодого Сонця почалися інтенсивні ядерні реакції, поступово зривав зовнішню газову оболонку з Землі і найближчих до неї планет. Земля і планети земної групи (Меркурій, Марс, Венера) сформувалися потім із залишків твердих ядер. Частина їх речовини поглинула нинішніми планетами-гігантами, а з залишився сформувалися численні астероїди і комети.
У першій третині 20-го століття панувала космологічна гіпотеза Джинса. Відповідно до неї, планетна система Сонця утворилася в результаті космічної катастрофи, майже зіткнення двох зірок. В силу крайньої малоймовірність такої події можна було вважати, що можливість існування в Галактиці ще однієї «планетної сім'ї» практично відсутній. Тепер ми знаємо, що планетних систем в Галактиці - сила-силенна. І Сонячна система - швидше правило, ніж виняток в світі зірок. Стало також цілком ясно, що потрібно від зірки для підтримки життя в разі виникнення її на які обертаються навколо неї планетах.
На роль «сестри» Землі претендує планета, про виявлення якої влітку 2005 року повідомила команда астрономів з університету Санта-Круз в Каліфорнії. Вона обертається навколо зірки Gliese 876 в сузір'ї Водолія і розташована від нас на відстані 15 світлових років. Планета знаходиться до свого сонця в 50 разів ближче, ніж Земля до свого. Тому температура на її поверхні становить 200-400 градусів Цельсія, що не залишає шансів для наявності води в рідкому стані. Але головне полягає в тому, що хоча планета менша за Землю майже в два рази, її маса в 5.9-7.5 разів перевищує масу Землі. Прямих доказів того, що планета тверда за складом, скеляста, поки немає. Але її маса говорить на користь гіпотези, що мова йде не про газовий гіганті. Вона - найменша з планет, виявлених поза Сонячною системою. У той же час планета такої маси може мати достатній тяжінням для утримання атмосфери. Американські астрономи підкреслили, що розглядають це відкриття як підтвердження теорії існування невеликих планет, придатних для життя. Цікаво також, що виявлена планета - третя з родини планет зірки Gliese 876. Перша - газовий гігант, приблизно в два рази масивніша за Юпітер, виявлена була в 1998 році, друга, теж газовий гігант, але з масою в два рази меншою, ніж у Юпітера , в 2001 році.
Виявлення коричневих карликів дозволило пролити світло на механізми утворення зірок і планет. Зірки судячи з усього, утворюються за допомогою гравітаційного колапсу міжзоряного молекулярного газу, в той час як «створення» планет починається через скупчення пилових частинок мікронних розмірів. Ця різниця в походженні призводить в кінцевому підсумку до того, що якщо планети є супутниками зірок, то коричневі карлики, перебуваючи в певній зоряній системі, ведуть як би незалежний спосіб життя.
Згідно ряду оцінок, в Галактиці є близько восьми мільярдів відповідних зірок, більшість з яких можуть мати планетні системи. Але підходящої для виникнення життя може бути далеко не кожна планета. Необхідно виконання трьох основних умов для виникнення аналогів земної форми життя: досить постійна температура, наявність розчинника на зразок води, атоми типу атомів вуглецю, які здатні утворювати складні ланцюжки молекул. Цілком можливо уявити і інші форми життя на основі аміаку в океанах або на основі кремнію. У зв'язку з цим коштувати нагадати, що з дев'яти планет Сонячної системи тільки одна є прикладом «живий» планети.
На думку вчених, перебувай Земля всього на 5% ближче до Сонця, то задовго до того моменту, коли могла виникнути життя, вона піддалася б у віці 1 мільярда років впливу парникового ефекту, який став бар'єром для розвитку земних форм життя. А якби Земля знаходилася трохи далі від Сонця, то як тільки її атмосфера збагатилася б киснем, відбулося б швидке обледеніння, тобто зникла б вода, наявність якої обов'язково для розвитку життя. Нагадаємо також, що на Венері дуже гаряче, а на Марсі - занадто холодно для виникнення життя.
Космічний телескоп «Хаббл» встановив, що спектри випромінювання трьох найбільш вдалих від нас квазарів показують явне наявність великої кількості заліза. Для телескопів наземного базування встановлення такого факту неможливо, так як інфрачервоний спектр, характерний для випромінювання атомами заліза, лежить в області довжини світлової хвилі порядку 1.6-1.7 мікрон. Але саме цей діапазон електромагнітного випромінювання повністю поглинається земною атмосферою. Астрофізикам відомо, що залізо з'являється в результаті специфічних зіркових процесів, що закінчуються вибухом наднових, які є постачальниками важких елементів. Такий період зоряної еволюції оцінюється в 500-800 млн. Років. Квазари, в спектрах яких виявлено випромінювання атомів заліза, мають вік ~ 900 млн. Років. Цей результат означає, що основні компоненти для утворення планет і можливої життя на них були присутні дуже рано в історії Всесвіту - набагато раніше, ніж виникла Земля.
Але всього лише п'ять відсотків зірок, подібних до Сонця, як показують підрахунки, можуть мати планети, аналогічні Землі.
У вересні 2005 року були оприлюднені результати спостережень групи американських астрономів, очолюваної вченими з Рочестерського університету, за двома дуже молодими зірками. Одна з них, іменована GMAurigal, знаходиться від нас на відстані 420 світлових років у сузір'ї Тельця. Інша зірка DMTauri, знаходиться приблизно в тому ж районі. Обидві вони дуже схожі на наше Сонце, тільки від народження їм поки всього лише один мільйон років. Астрономи встановили наявність «щілин» в газопилових протопланетних дисках у цих зірок. Їх наявність свідчить про вплив гігантських планет-ембріонів, «прорізався» собі такі «щілини».
Є всі підстави вважати, що у подібних зірок спостерігається надзвичайно раннє формування планет - газових гігантів. Дані дослідження є підтвердженням теорії про те, що гігантські планети, подібні до Юпітера, формуються набагато швидше, ніж передбачалося.
По суті, як відзначають дослідники, ми як би спостерігаємо формування Сонячної системи в далекому минулому, а зірки GMAurigal - це, фактично, більш молода версія нашого Сонця. І проміжки, «щілини» в її протопланетному диску, за розмірами відповідають тому простору, яке займають гігантські планети Сонячної системи. На жаль, присутність зародків планет земної групи виявити поки не вдалося.
Історія відкриття екзопланет
Астрометричної пошук. Перші спроби виявити екзопланети пов'язані зі спостереженнями за положенням близьких зірок. У 1916 американський астроном Едуард Барнард (1857-1923) виявив, що слабенька червона зірочка в сузір'ї Змієносця швидко переміщається по небу щодо інших зірок - на 10 кут. секунд на рік. Астрономи назвали її Легкою зіркою Барнарда. Хоча всі зірки хаотично переміщаються в просторі зі швидкостями 20-50 км / с, при спостереженні з великої відстані ці переміщення залишаються практично непомітними. Зірка Барнарда - вельми звичайне світило, тому виникла підозра, що причиною її спостережуваного «польоту» служить не особливо велика швидкість, а просто незвичайна близькість до нас. Дійсно, зірка Барнарда опинилася на другому місці від Сонця після системи Альфа Кентавра.
Маса зірки Барнарда майже в 7 разів менше маси Сонця, тому вплив на неї сусідів-планет (якщо вони є) має бути досить помітним. Понад півстоліття, починаючи з 1938, вивчав рух цієї зірки американський астроном Пітер ван де Камп (1901-1995). Він виміряв її положення на тисячах фотопластинок і заявив, що у зірки виявляється хвилеподібна траєкторія з амплітудою погойдувань близько 0,02 кут. сек., отже навколо неї звертається невидимий супутник. З розрахунків П. ван де Кампа випливало, що маса супутника трохи більша за масу Юпітера, а радіус його орбіти 4,4 а.е. На початку 1960-х років це повідомлення облетіло весь світ. Але не всі астрономи погодилися з висновками П. ван де Кампа. Продовжуючи спостереження і збільшуючи точність вимірювань, Дж.Гейтвуд (G.Gatewood) і його колеги до 1973 з'ясували, що зірка Барнарда рухається рівно, без коливань, а значить масивних планет в якості супутників не має. Однак ці ж роботи принесли і нову знахідку: були помічені зигзаги в русі п'ятої від Сонця зірки Лаланд-21185. Зараз отримані вагомі доводи, що навколо цієї зірки обертаються дві планети: одна з періодом 30 років (маса 1,6 Мю, радіус орбіти 10 а.о.) і друга з періодом 6 років (0,9 Мю, 2,5 а. е.). Для підтвердження цього відкриття ведуться спостереження.
Планети у нейтронних зірок. В кінці 1980-х років кілька груп астрономів в різних країнах створили високоточні оптичні спектрометри і почали систематичні вимірювання швидкостей найближчих до Сонця зірок. Ця робота спеціально була націлена на пошук екзопланет і через кілька років дійсно увінчалася успіхом. Але першими відкрили екзопланету радіоастрономи, причому не одну, а відразу цілу планетну систему. Сталося це в ході дослідження радіопульсаров - швидко обертаються нейтронних зірок, випромінюючих суворо періодичні радіоімпульси. Оскільки пульсари - надзвичайно стабільні джерела, радіоастрономи можуть виявляти їх рух зі швидкістю близько 1 см / с, а значить, виявляти поруч з ними планети з масами в сотні разів менше, ніж у Юпітера. Перше повідомлення в журналі «Nature» про відкриття планетної системи навколо пульсара PSR1829-10 (позначався також PSR1828-11 і PSR B1828-10, сучасне позначення PSR J1830-10) зробила в середині 1991 група радіоастрономів Манчестерського університету (М.Бейлес, А. Лін і С.Шемар), що спостерігають на радіотелескопі в Джодрелл-Бенк. Вони оголосили, що навколо нейтронної зірки, віддаленої від Сонця на 3,6 кпк, звертається планета в 10 разів масивніше Землі по круговій орбіті з періодом 6 місяців. У 1994 в неопублікованому повідомленні автори уточнили, що планет три: з масами 3, 12 і 8 земних і періодами, відповідно, 8, 16 і 33 місяці. Однак до сих пір це відкриття не підтверджено незалежними дослідженнями і тому залишається сумнівним.
Перше подтвердившееся відкриття позасонячної планети зробив польський Радіоастрон Алекс Вольцжан (A.Wolszczan), який за допомогою 305-метрової антени в Аресібо вивчав радіопульсар PSR 1257 +12, віддалений приблизно на 1000 св. років від Сонця і посилає імпульси через кожні 6,2 мс. У 1991 учений зауважив періодична зміна частоти приходу імпульсів. Його американський колега Дейл Фрейл підтвердив це відкриття спостереженнями на іншому радіотелескопі. ДО 1993 виявилося присутність поруч з Пульсаром PSR 1257 +12 трьох планет з масами 0,2, 4,3 і 3,6 маси Землі, що обертаються з періодами 25, 67 і 98 діб. У 1996 з'явилося повідомлення про присутність в цій системі четвертої планети з масою Сатурна і періодом близько 170 років.
Та легкість, з якою планети були знайдені у першого пульсара, надихнула радіоастрономів на аналіз сигналів і інших пульсарів (їх зараз відкрито понад 1000). Але пошук виявився майже безрезультатним: лише ще у одного далекого пульсара (PSR 1620-26) виявилася планета-гігант в кілька разів масивніше Юпітера. До сих пір планетна система пульсара PSR 1257 +12 демонструє нам єдиний приклад планет типу Землі за межею Сонячної системи.
Вважається досить дивним, що взагалі поруч з нейтронної зіркою виявилися маломасивні супутники. Народження нейтронної зірки повинно супроводжуватися вибухом наднової. У момент вибуху зірка скидає оболонку, з якою втрачає велику частину своєї маси. Тому її залишок - нейтронна зірка-пульсар - не може своїм тяжінням утримати планети, які до вибуху швидко зверталися навколо масивної зірки. Можливо, що виявлені у пульсара планети сформувалися вже після вибуху наднової, але з чого і як - не ясно. Поки планетні системи нейтронних зірок через їх незрозумілого походження вважають чимось неповноцінним.
Успіх Доплер-ефекту: планети у нормальних зірок. Першу «справжню» екзопланету виявили в 1995 астрономи Женевської обсерваторії Мішель Майор (M.Mayor) і Дідьє Квелоц (D.Queloz), які побудували оптичний спектрометр, який визначає доплеровское зміщення ліній з точністю до 13 м / с. Цікаво, що американські астрономи під керівництвом Джеффрі Марсі (G.Marcy) створили подібний прилад раніше і в 1987 приступили до систематичного виміру швидкостей декількох сотень зірок; але їм не пощастило зробити відкриття першими. У 1994 Майор і Квелоц приступили до вимірювання швидкостей 142 зірок з числа найближчих до нас і за своїми характеристиками схожих на Сонце. Досить швидко вони виявили «похитування» зірки 51 в сузір'ї Пегаса, віддаленої від Сонця на 50 св. років. Коливання цієї зірки відбуваються з періодом 4,23 діб і, як уклали астрономи, викликані впливом планети з масою 0,47 Мю (для неї вже запропоновано ім'я - Епікур).
Це дивовижне сусідство спантеличило вчених: зовсім поруч із зіркою як дві краплі води схожою на Сонце шалено мчить планета-гігант, огибаючи її всього за чотири дні; відстань між ними в 20 разів менше, ніж від Землі до Сонця. Астрономи не відразу повірили в це відкриття. Адже виявлена планета-гігант через її близькості до зірки повинна бути нагріта до 1000 К. Гарячий Юпітер? Такого поєднання астрономи не чекали. Бути може, за коливання зірки була прийнята пульсація її атмосфери? Однак подальші спостереження підтвердили відкриття планети у зірки 51 Пегаса. Потім виявилися й інші системи, в яких планета-гігант звертається дуже близько до своєї зірки; термін «гарячий Юпітер» міцно увійшов в ужиток.
Пошуком екзопланет зараз зайнято більше 150 астрономів на різних обсерваторіях світу, включаючи саму продуктивну наукову групу Дж.Марсі і групу М.Майора. Для вироблення термінології і координації зусиль в цій області Міжнародний астрономічний союз (МАС) створив Робочу групу з позасонячних планет, першим керівником якої обрано американський астроном-теоретик Алан Бос (A.Boss). Запропоновано тимчасова термінологія, згідно з якою «планетою» слід називати тіло масою менше 13 Мю, що обертається навколо зірки сонячного типу; такі ж об'єкти, але вільно рухаються в міжзоряному просторі, слід називати «коричневими субкарлики» (sub-brown dwarfs). Зараз цей термін вживається стосовно кількох десятків гранично слабких об'єктів, знайдених в 2000-2001 в туманності Оріона і не пов'язаних із зірками. Вони випромінюють в основному в інфрачервоному діапазоні і по масі, ймовірно, лежать в проміжку між коричневими карликами і планетами-гігантами. Нічого певного про них поки сказати не можна.
Властивості виявлених екзопланет. Кілька століть астрономи б'ються на загадкою походження Сонячної системи. Головна проблема в тому, що нашу планетну системи до цих пір не було з чим порівняти. Тепер ситуація змінилася: практично кожен місяць астрономи відкривають нову екзопланету; поки це планети-гіганти, але скоро нові прилади дозволять виявляти і планети земного типу. Чи стане можливою класифікація і порівняльне вивчення планетних систем. Це значно полегшить відбір життєздатних гіпотез і побудова правильної теорії формування і ранньої еволюції планетних систем, в тому числі - Сонячної системи. Станом на 1 вересня 2001 статистика досліджень екзопланет така:
· Пошук планет проведений приблизно в 1000 зірок; це майже всі зірки в околиці 30 пк від Сонця;
· У 58 зірок виявлені планетні системи, що містять від 1 до 3 планет, всього виявлено 68 екзопланет;
· Мінімальна маса екзопланети (M sin i), виявленої поруч з нормальною зіркою, дорівнює 0,15 Мю;
· Виявлені планетні системи у двох радіопульсаров, причому в одній з цих систем (PSR 1257 + 12) присутні планети земної маси;
· Запідозрені планети ще у дюжини зірок;
· Орбітальні періоди виявлених екзопланет лежать в діапазоні від 3 діб до 7 років, а великі півосі орбіт - від 0,04 до 3,7 а.е .;
· Ексцентриситети орбіт екзопланет лежать в діапазоні від 0,0 до 0,93; при цьому орбіт з великим ексцентриситетом виявилося досить багато (на відміну від Сонячної системи, де великі планети рухаються по майже кругових орбітах);
· Амплітуда спостережуваних коливань променевої швидкості зірки під віяння планети від 10 м / с (інструментальний межа) до 2 км / с;
· Найближча екзопланета виявлена у зірки Епсілон Ерідана, на відстані 10 св. років від Сонця. Вона трохи менше Юпітера і звертається на відстані 3,3 а.о. від зірки трохи менше масивної і менш гарячою, ніж Сонце;
· Лише в одному випадку (зірка HD 209458) Земля виявилася майже в площині орбіти екзопланети (i = 85,2 град.). Тому астрономи систематично, двічі в тиждень, спостерігають проходження екзопланети перед зіркою, що викликають неглибокі (1,5%) затемнення. Це дозволило дуже точно встановити орбітальні і фізичні параметри планети і зірки. Зокрема, маючи масу 0,69 Мю, планета в 1,54 рази більше Юпітера за розміром. Це не дивно, якщо врахувати, що вона звертається на відстані всього 0,045 а.о. від зірки, трохи більш масивною і яскравою, ніж наше Сонце. У такому положенні планета повинна бути досить гарячою і мати протяжну атмосферу.
В цілому виявлення перших позасонячних планетних систем стало одним з найбільших наукових досягнень 20 століття.Вирішено найважливіша проблема - Сонячна система не унікальна; формування планет поруч із зірками - це закономірний етап їх еволюції. У той же час стає ясно, що Сонячна система нетипова: її планети-гіганти, що рухаються по кругових орбітах поза «зони життя», дозволяють тривалий час існувати в цій зоні планет земного типу, одна з яких - Земля - має біосферу. Інші планетні системи рідко володіють цією якістю.
У січні 1998 року розпочала свою роботу група Англо-Австралійського телескопа. Використовуючи 3,9 метровий телескоп в Австралії, астрономи групи досліджували близько 200 близьких зірок сонячного типу до 8 зоряної величини, що знаходяться на південному небі. Їх програма розрахована до 2010 року, і вже принесла значні результати: в тісній співпраці з Ликской обсерваторією було відкрито кілька десятків планет. Через десятиліття після відкриття першої позасонячної планети у нормальної зірки вдалося досягти мінімального порогу мас для планет в 30-40 мас Землі і максимального періоду звернення в 10 років.
У 2004 році, використовуючи нові спектрографи, вдалося підвищити точність вимірювання променевих швидкостей до 1 метра в секунду, що дозволило відразу відкрити абсолютно новий клас об'єктів - так звані "гарячі Нептун" з масами порядку 15 мас Землі. У серпні 2004 року свої відкриття одночасно опублікували і європейські, і американські астрономи. Європейські дослідники використовували спектрограф HARPS, встановлений на 3,6 метровому телескопі в Ла-Сілла. Американці використовували телескоп Hobby-Eberly (HET) в обсерваторії Мак-Дональд (Техас). Використовуючи також і астрометричні дані Хаббловском космічного телескопа, що дозволило визначити нахил планетної системи до променю зору, вони відкрили четверту внутрішню планету в уже відомій системі 55 Cancri. Через рік кількість "гарячих Нептун" досягло десятка. А влітку 2005 року група Дж. Марсі оголосила про відкриття планети масою близько 7 мас Землі. Ця планета стала першою, яка, мабуть, має тверду поверхню і відноситься до так званого класу "суперземель". Для виявлення цієї планети у зірки Glise 876, поруч з якою вже було відкрито два газових гіганти, використовували телескоп Кек на Гавайських островах. Але на цьому американські дослідники зупинятися не збираються, наступний їх крок - глибока модернізація 2,4-метрового телескопа в Ликской обсерваторії і створення так званого "детектора скелястих планет" (RPF). Він повинен виявити 5-20 планет з масою, близькою до маси Землі, навколо зірок, обраних в якості цілей для майбутніх космічних обсерваторій NASA - SIM і TPF. Мабуть цей проект стане першим для вивчення планет земної маси у звичайних зірок. Протягом місяця щоночі телескоп буде безперервно вивчати одну з сусідніх зірок, щоб виявити мінімальні коливання спектральних ліній йоду, і повинен відкрити кам'яні планети в радіусі до 0,2 астрономічних одиниць від зірки.
Сучасні досягнення у відкритті екзопланет
Фотографії планет, які обертаються навколо інших зірок, отримані в оптичному і інфрачервоному діапазонах. Ці досягнення стали можливими завдяки сучасним телескопам і спеціальним методам, що дозволяє виділяти слабке світло планет на тлі яскравої засвічення від батьківських зірок. Космічний телескоп NASA "Хаббл" (Hubble) сфотографував планету у гіганта Фомальгаута (HD 216956) - найяскравішої зірки в сузір'ї Південної Риби і однією з найяскравіших зірок на всій земній небосхилі (Фомальгаут знаходиться від нас на відстані 25 світлових років). По масі Фомальгаут приблизно вдвічі перевершує Сонце. Автором відкриття стала група американського астронома Пола Каласа з Каліфорнійського університету в Берклі. Є вже дві фотографії екзопланети, отримані в 2004 і 2006 роках, які свідчать про те, що планета рухається по орбіті в повній відповідності з законами небесної механіки. За 21 місяць зрушення був саме таким, як і належить планеті, що знаходиться на 872-річній орбіті на відстані 119 астрономічних одиниць від світила (1 а.о. приблизно дорівнює 150 мільйонам кілометрів). Нововідкрита планета (Фомальгаут b), ймовірно, близька по масі до Юпітера, але при цьому віддалена від своєї зірки в чотири рази далі, ніж Нептун від Сонця. Через відносно низької маси і віддаленості орбіти цей об'єкт не міг бути виявлений більш звичними на сьогоднішній день методами. Відкриття планети у Фомальгаута в оптичному діапазоні стало свого роду несподіванкою, оскільки відбулося лише завдяки її виключній яскравості (об'єкт, треба думати, володіє дуже високим альбедо - відбивною здатністю). Повідомлення про відкриття оприлюднено 14 листопада 2008 року в журналі Science. Ще в одній статті в Astrophysical Journal додатково аналізується взаємодія між планетою і пиловим диском Фомальгаута з тим, щоб зробити оцінку маси планети. Не виключено також, що в системі Фомальгаута незабаром знайдеться принаймні ще одна планета. Всі попередні повідомлення про отримання фото екзопланет мали один істотний недолік: за планету могли прийняти більш масивний коричневий карлик, який насправді є невдалу зірку (масою понад 13 мас Юпітера) і на ранніх етапах життя яскраво світиться в інфрачервоному діапазоні. Тому тільки зараз можна з упевненістю стверджувати, що отримана фотографія інозвездной планети. Примітно, що практично одночасно з цією роботою стало відомо і ще про одне досягнення, коли за допомогою найбільших гавайських наземних телескопів Keck II і Gemini North, здатних працювати в інфрачервоному діапазоні, групі астрономів з Канади, США і Великобританії під керівництвом Крістіана Маруа з канадського Інституту астрофізики імені Герцберга, вдалося отримати фотографії відразу трьох планет у ще однієї гігантської зірки - HR 8799 із сузір'я Пегаса, яка віддалена від нас на 130 світлових років (публікація в тому ж журналі Science). Кожен з цих об'єктів (що знаходяться на відстанях 25, 40 і 65 астрономічних одиниць від зірки) в 5-13 разів перевищує масу Юпітера. Якщо їх планетна природа в свою чергу підтвердиться, то мова можна буде вести не тільки про чергові знімках екзопланет, але і про перших прямих спостереженнях інозвездних мультіпланетних систем. Не минуло й двох тижнів після оприлюднення інформації про відкриття планети у Фомальгаута і у HR 8799, як стало відомо про новий досягненні: французьким астрономам під керівництвом Анн-Марі Лагранж з Гренобльському обсерваторії вдалося отримати зображення екзопланети, розташованої до своєї батьківської зірки ближче, ніж будь -або інша планета на інших подібних знімках. Йдеться про вже добре вивченою молодій зірці - Бете Живописця (другою за яскравістю в сузір'ї Живописця), що знаходиться від нас на відстані близько 63 світлових років. Нововиявлених об'єкт також коректніше поки називати кандидатом в планети, оскільки ще належить підтвердити, що це не коричневий карлик і не фонова зірка. Останнє, втім, майже виключено, оскільки ймовірність того, що сторонній об'єкт виявиться настільки близьким (спроецируется на орбіту, за розмірами трохи менше орбіти нашого Сатурна, 8 а.о.), надзвичайно мала. Нарешті, можна згадати ще й про те, що у вересні 2008 року три канадських астронома з Торонтського університету оголосили, що їм, можливо, вдалося отримати першу фотографію планети, що обертається біля зірки, схожої на Сонце. Нове досягнення стало реальністю завдяки використанню Gemini North і системи адаптивної оптики. Крім знімка (в інфрачервоному діапазоні) околиць молодої зірки 1RXS J160929.1-210524, що знаходиться про нас приблизно в півтисячі світлових років в напрямку на сузір'я Скорпіона, були отримані також спектральні дані, що підтверджують планетарну природу компаньйона, маса якого приблизно у вісім разів перевищує масу Юпітера. Відстань від нововиявленої об'єкта до батьківської зірки - 330 а.о. ( "Крайня" планета в Сонячній системі - Нептун - віддалена від Сонця всього на 30 а.о.). Батьківська зірка спектрального класу K7 по своїй масі лише трохи поступається Сонцю (85%), проте набагато молодша за нього - їй всього 5 мільйонів років.
висновок
За останні кілька сот років відкрилися багато таємниць Всесвіту. Але чим далі ми рухаємося по шляху її осягнення, чим далі йдемо від нашого «незнання», тим більш дивною і таємничою постає вона перед нами. Воістину чудова, приголомшлива і загадкова Всесвіт!
Людина влаштована так, що йому дуже хочеться вважати, що він знає все або майже все. На жаль, цією слабкістю грішили і розумні, а іноді і мудрі люди, яких прийнято називати вченими. Кожен з них створював свою систему світу і вважав, що тільки його система правильна. Тому історія пізнання світу сповнена абсурдів. Нагадаємо тільки про одне з них. Вчений Лаплас створив свою систему світу, як він вважав, самодостатню. На питання Наполеона: «Яка роль Бога в цій системі?» - Лаплас зарозуміло відповів: «Моя теорія про наявність Бога не потребує».
Насправді можливості людини в пізнанні навколишнього світу обмежені, причому дуже суттєво. Нам не дано бачити навіть те, що знаходиться поруч з нами. Треба розлучитися з ілюзією, що ми все можемо і не знаємо.
Людина повинна розуміти, що його уявлення про світ, в якому він живе, можуть і будуть змінюватися кардинально, і ніколи він не зможе сказати, що він цей світ пізнав. Та це й не потрібно і не важливо. Важливо зовсім інше: знати і відчувати, що ти в цьому світі знаходишся на своєму місці, займаєш свою нішу і не заважаєш іншим. На жаль, людство пішло іншим шляхом і виявилося біля розбитого корита: ні собі ні іншим. Воно перетворило земний рай в пекло, заважати жити іншим живим істотам і вже сама не зможе жити на Землі.
Всесвіт жива. Один вчений сказав, що вона йому нагадує думка. Це дуже влучне порівняння, Що стосується матеріальної Всесвіту, то сучасний етап її еволюції Ж. Леметр описав так: «Еволюція світу можна порівняти зі видовищем феєрверку, який ми застали в момент, коли він вже закінчується: кілька червоних жаринок, попіл і дим. Стоячи на охолодженому попелі, ми бачимо повільно згасаючі сонця і намагаємося воскресити зникле пишність початку світів ».
література
1. Стражев, До таємниць Всесвіту / В.І. Стражев. - Мінськ: РІВШ, 2006. - 160с. - (Серія «Концепція сучасного природознавства»).
2. Мизун Ю.В., Мизун Ю.Г. Таємниці Всесвіту. М .: Вече, 2002.
3. Шевченко, М.Ю. Подорож по Всесвіту / М.Ю. Шевченко. М., 2000..
4. Єфремов, Ю.М. Вглиб Всесвіту / Ю.М. Єфремов. М., УРСС, 2003.
5. Беккер, Б. Наша зростаюча галактика / Б. Беккер, Ф. Ріхтер // Світ науки. 2004. №4.
6. Райзен, І. Новий сюрприз Всесвіту: темна Енергія / І. Райзен // Наука і життя. 2004. №3.
|