Размер

Размер экзопланеты — это, как правило, первый параметр, который ученые узнают при ее открытии. Обнаружить планеты у других звезд и определить их размер позволяет транзитный метод. Это метод-рекордсмен по открытым планетам. Именно таким способом открывает планеты орбитальный телескоп «Кеплер». Вернее, ученые, которые обрабатывают полученные от него данные.

С его помощью ищут планеты около звезд в определенных участках неба. Большинство из них невооруженным глазом не видны. Периодически свет некоторых звезд тускнеет на некоторое время. Регистрируя падение яркости звезды, ученые предполагают, что оно вызвано прохождением перед ней планеты. То есть между наблюдателем — телескопом (см.Какие звезды видно в телескоп) — и звездой появляется препятствие, которое и вызывает уменьшение светимости звезды, естественно, с точки зрения земного наблюдателя.

Если такое падение яркости происходит через одинаковые промежутки времени, то оснований считать, что у этой звезды есть планета, уже больше. Кроме того, становится известен и ее орбитальный период.

При этом, для того чтобы обнаружить планету, ее плоскость орбиты, звезда и телескоп должны находиться практически на одной линии. Иначе ее просто не зарегистрировать. Это, по сути, небольшое затмение. В нашей системе тоже бывают подобные явления. Так, например, ☽ Луна скрывает диск Солнца во время солнечного затмения. Либо наши местные планеты — ♀ Венера и ☿ Меркурий — периодически проходят по диску Солнца.

Масса

Обнаружение планет происходит методом доплеровской спектроскопии, или методом лучевых скоростей. А в дальнейшем их существование подтверждается и транзитным методом. Хотя чаще бывает все-таки наоборот.

В случае применения метода Доплера мы также самой планеты не видим, а только наблюдаем за светом звезды. Но на этот раз нас интересует не падение яркости, а наличие красного или синего смещения в ее спектре. Если звезда удаляется от нас, ее спектр сдвигается в красную сторону, если приближается к нам — то в синюю. Почему же звезда не стоит на месте? Потому что по орбите вокруг звезды обращается планета, которая, образно говоря, раскачивает свое светило, заставляет его колебаться и, соответственно, то приближаться к наблюдателю, то удаляться от него.

Оба небесных тела движутся у одного центра масс. Астрономы уже научились определять массу звезд, а зная ее, можно определить и массу планеты. Масса и радиус экзопланеты позволяет узнать ускорение свободного падения на ее поверхности. Это значит, что мы можем, например, предположить, насколько комфортно мы бы себя чувствовали, если бы высадились на планете. Кроме того, это позволяет понять, может ли планета удерживать атмосферу. И даже предположить наличие или отсутствие в ней определенных газов. Земля, например, как известно, не держит в своей газовой оболочке легкие водород и гелий. А массивный Юпитер совсем наоборот.

Нахождение в обитаемой зоне

Расположенная в созвездии Лебедя, на расстоянии 1400 световых лет от нас, экзопланета Kepler-452b — первая землеподобная планета, обнаруженная в «обитаемой зоне» солнцеподобной звезды. Орбитальный период планеты — 385 земных суток. То есть год на ней только на 5% дольше, чем на Земле. Соответственно, и от своего солнца она только немного дальше. Расстояние от планеты до звезды Kepler-452 (большая полуось орбиты) — 1,046 а. е. К слову, и сама звезда на 10% больше нашего Солнца. Обитаемая зона Kepler-452 по размеру практически совпадает с той, что мы имеем в Солнечной системе.

Эти и большинство других планет считаются потенциально обитаемыми прежде всего потому, что находятся в обитаемых зонах своих звезд — то есть там, где планета может получать достаточно энергии для того, чтобы основная масса воды на планете находилась в жидком виде. Эта зона вычисляется исходя из размера и светимости звезды.

Плотность

Как мы видим, массу и размер планеты не всегда удается определить одновременно. Для этого нужно два метода — транзитный и Доплера. Но после этого мы можем узнать и плотность, которая определяется как отношение массы тела к занимаемому этим телом объему. А объем планет вычисляется, если известен радиус.

Kepler-78b находится от нас на расстоянии 400 световых лет. И это первая планета размером с Землю, для которой удалось рассчитать плотность. Она, конечно, на 16% крупнее Земли и примерно на 69–85% тяжелее, но все же ее плотность равна 5,3–5,6 г/см³. У нашей планеты этот показатель равен 5,52 г/см³. Это позволяет предположить, что планета, как и Земля, состоит из железа и каменных пород. Вот только одно но — на этом сходства с нашей планетой заканчиваются.

Состав атмосферы и биомаркеры

Выделяют пять биомаркеров: вода, углекислый газ, метан, кислород и озон. Конечно, каждый из них может иметь свое естественное, не связанное с жизнью, происхождение. Но если их обнаружат вместе, да еще и на планете, похожей на Землю, то вероятность того, что она обитаема, будет высока.

Есть несколько способов узнать химический состав атмосферы экзопланеты. Первый — во время транзита планеты. Метод называется «трансмиссионная спектроскопия». Планета проходит между наблюдателем на Земле и своей звездой. Свет звезды проходит сквозь атмосферу экзопланеты и достигает наблюдателя. Но при этом часть света в атмосфере планеты будет поглощена. Если провести спектральный анализ, можно обнаружить химические элементы, которые в этом поучаствовали. Разбив свет звезды на радужный спектр, можно обратить внимание на провалы — темные узкие спектральные линии, каждая из которых соответствует определенному химическому элементу.

Есть и еще два перспективных способа. Мы видим планеты Солнечной системы потому, что они отражают свет нашей звезды. Все планеты светят отраженным светом. В том числе и экзопланеты. Свет, идущий от некоторых планет, нам уже удается разглядеть. И здесь мы опять сможем построить спектр и попытаться найти биомаркеры. Но, кроме того, как это не покажется удивительным, планеты могут «светить» и свои светом. В данном случае речь идет о невидимом человеческому глазу инфракрасном излучении. Оба эти способа предполагают непосредственное изучение планеты, а не света, идущего от звезды. И здесь уже не имеет значение, как развернута к нашей планете плоскость ее орбиты. Но серьезные открытия в этой области еще впереди. Пока мы не располагаем достаточно мощными телескопами.

Недра планеты

Учёные пришли к выводу, что недра Тау Кита содержат в себе гораздо больше магния, чем наше Солнце.

Звезда и планеты, обращающиеся вокруг нее, образовались из одного и того же газопылевого облака. Следовательно, по мнению ученых, в верхних и глубинных слоях мантии этих планет содержатся существенные излишки магнийсодержащих пород — оливина и ферропериклаза. Будучи более гибкими и текучими, чем породы, доминирующие в недрах нашей планеты, они в течение долгого времени будут препятствовать формированию литосферных плит и образованию коры.

Подходящее «солнце»

Несмотря на то, что Kepler-438b уж очень похожа на Землю (ну, во всяком случае, издалека — нас разделяет около 470 световых лет), ее звезда не похожа на наше спокойное Солнце. Kepler-438 — красный карлик, по массе и размеру в два раза меньший, чем наша звезда. И он относится к вспыхивающим (переменным) звездам, которые способны резко и непериодически увеличивать светимость в несколько раз. Изучая звезду, ученые обнаружили, что вспышки на Kepler-438 происходят достаточно часто: раз в несколько сотен суток. Их мощность в десять раз превосходит солнечные. Вероятно, эти вспышки связаны с выбросами корональной массы, которые могут иметь серьезные разрушительные последствия для обитаемости планеты. В такой неспокойной обстановке планете сложно иметь атмосферу, так как она подвергается чрезмерно опасному облучению и, скорее всего, является местом, непригодным для жизни.

Магнитосфера

Как же обнаружить глобальное магнитное поле?

Находясь на поверхности Земли, мы знаем о его существовании благодаря компасу. Магнитная стрелка, свободно поворачиваясь вокруг своей оси, располагается вдоль силовых линий магнитного поля Земли. Еще один признак существования магнитного поля — полярные сияния. Они вызываются потоками солнечного ветра, попадающими в полярную ионосферу. Земные полярные сияния хорошо видны из космоса, например, с борта Международной космической станции. Вот только на значительных расстояниях их уже не различить.

Помимо излучения в видимом диапазоне, полярные сияния генерируют и низкочастотные радиоволны. А вот они прекрасно распространяются в космосе, обнаружить их гораздо проще, чем само сияние. Например, полярное сияние на Юпитере впервые зарегистрировали именно этим способом — благодаря радиоизлучению.

Среди инструментов, на которые рассчитывают астрофизики, — низкочастотные наземные радиотелескопы LOFAR и SKA. А в перспективе — космические радиообсерватории и даже телескопы на Луне, которые прекрасно подходят для этой цели.

Признаки наличия жизни

Ночная подсветка инопланетных городов и другие «экзотические» признаки наличия разумной жизни на экзопланетах.

Два известных американских астрофизика — Абрахам Лёб из Гарвардского университета и Эдвин Тёрнер из Принстонского — предложили искать искусственно освещенные объекты, сопоставимые по полной яркости с крупным наземным городом, на окраинах Солнечной системы, в частности, в поясе Койпера, а в дальнейшем, по мере совершенствования оптических телескопов, распространить этот метод и за пределы Солнечной системы. В силу иного спектрального состава искусственного освещения его будет достаточно легко отделить от света материнской звезды, который отражается планетой.

В целом, можно сказать, что количество признаков, по которым мы можем судить о потенциальной обитаемости планет, будет только расти. Слишком много условий должно совпасть, чтобы на планете могла появиться жизнь. И их все нужно выявить, чтобы быть уверенным: планета может быть обитаема. Но для этого нам нужны новые, более совершенные инструменты.