Как ищут экзопланеты? Методы и технологии

В последнее время все чаще встречаются сообщения об открытых экзопланетах. Это неудивительно - технологии поиска потенциально обитаемых миров продвинулись далеко вперед. Однако мало кто знает, сколько времени и усилий на самом деле уходит на это. Какие методы сейчас используют ученые и насколько оправданы их "затраты"? Есть ли более простой способ?

В 2011 году человечество радикально расширило свои горизонты: космический телескоп "Кеплер" открыл более 1200 экзопланет, 54 из которых находятся в обитаемой зоне и могут быть населены разумными существами. Более того, ученые постоянно объявляют о новых вариантах существования жизни: расширена обитаемая зона для пустынных планет, доказана потенциальная возможность жизни в системах красных и белых карликов. По расчетам ученых из Исследовательского центра НАСА им. Эймса, в нашей галактике может находиться гигантское количество планет – до 50 млрд, причем 500 млн - в обитаемой зоне. Другими словами, почти полмиллиарда планет Млечного пути потенциально обитаемы и могут быть колыбелью разумной жизни.

Именно поэтому поиск и изучение экзопланет имеют такую важность для науки. Появление новых инструментов, а также разработка совершенных наземных и космических оптических приборов наконец-то предоставили астрономам возможность увидеть следы далеких миров. Обнаружение жизни или хотя бы двойника нашей Земли может дать человечеству цель, столь важную на современном кризисном этапе развития цивилизации.

Колебания на расстоянии

Несмотря на то, что потенциально планет в галактике огромное количество, обнаружить их очень непросто. Ночью мы можем видеть тысячи звезд, но экзопланеты излучают только слабый отраженный свет, к тому же, они гораздо меньше любого светила.

Космический телескоп "Кеплер" изучил лишь маленький участок нашей галактики

Большинство экзопланет были обнаружены с помощью спектрометрического измерения радиальной скорости звезд и транзита планет. Первый метод основан на том, что планета, вращаясь вокруг своей звезды, «раскачивает» ее. Если измерить доплеровское смещение спектра звезды, вызванное ее попеременным ускорением, можно обнаружить экзопланету и даже установить ее приблизительные массу и орбиту.

Сложность реализации этого, на первый взгляд, простого метода поражает – именно потому, что ученым удалось решить эту проблему. Все дело в том, что значительное доплеровское смещение спектра вызывают только очень массивные планеты, такие как Юпитер. Например, наша Земля за год меняет скорость Солнца всего на считанные сантиметры в секунду, тогда как собственные звездные тепловые процессы могут менять ее на километры в секунду. Поэтому обнаружить ничтожные колебания на расстоянии в десятки световых лет представляется исключительно сложной задачей. К счастью, настойчивость астрономов в деле изучения Солнечной системы позволила существенно повысить точность измерения и применить методику для поиска экзопланет. В настоящее время 3,6-м спектрометр HARPS Европейской Южной Обсерватории в Чили просто «сыплет» свежеоткрытыми экзопланетами: только в сентябре этого года список пополнился 50-ю экземплярами, из которых 16 - это «суперземли» (землеподобные планеты, но больше Земли в несколько раз). При этом HARPS измеряет радиальную амплитуду с точностью до 4 км/ч.

Спектрометрическое измерение радиальной скорости звезд позволяет приблизительно определить массу планеты и ее орбиту

К сожалению, у методики спектрометрического измерения радиальной скорости звезд есть существенный недостаток: сегодня она может находить только планеты минимум в несколько раз крупнее Земли и дает совсем немного информации о новых мирах.

Слишком много условий

Транзит планет является одним из наиболее информативных и точных современных методов, кроме того, на сегодняшний день его можно считать самым продуктивным. Суть его в следующем: если плоскость орбиты экзопланеты окажется на линии взгляда земного наблюдателя, то появляется возможность увидеть далекую планету во время ее прохождения на фоне диска звезды. Это происходит благодаря тому, что планета заслоняет собой часть светового потока от звезды, вызывая тем самым изменение ее яркости. Благодаря транзиту ученые могут не только обнаружить экзопланету, но и при удачном стечении обстоятельств узнать ее радиус и плотность. По этим данным вполне можно судить о пригодности планеты для жизни. Однако у метода поиска по транзиту планет существуют и серьезные недостатки.

Транзит планет позволяет определить размеры планеты, однако требует длительных наблюдений для подтверждения факта существования экзопланеты

Прежде всего, это многочисленные «если»: необходимая линия наблюдатель-плоскость орбиты экзопланеты, удачное время прохождения на фоне звезды (циклы могут повторяться раз в десятки лет), очень слабые изменения в яркости для небольших землеподобных планет. Именно поэтому больше всего открыто горячих юпитеров: гигантских планет, вращающихся близко к своим звездам.

Относительная экзотика

Также существует еще один, можно сказать экзотический, способ поиска экзопланет: гравитационная линза. Данная методика основана на общей теории относительности Эйнштейна, согласно которой свет далекой звезды, проходя вблизи звезды (или планеты), находящейся поближе к наблюдателю, будет искривляться. Другими словами, гравитация, словно линза, собирает свет и усиливает его. Таким образом появляется возможность увидеть следы присутствия любых далеких планет, в том числе и столь желанных землеподобных. Метод этот, к сожалению, имеет неустранимый недостаток: по понятным причинам две звезды для наблюдателя выстраиваются в одну линию лишь единожды.

Гравитационная линза теоретически может помочь рассмотреть экзопланету, но такой шанс дается лишь единожды

Ярким примером гравитационной линзы является объект LRG-4-606, снятый в октябре телескопом "Хаббл". В данном случае массивное скопление галактик искривляет свет далекой галактики и превращает его в яркую синюю дугу.

Впервые гравитационное линзирование для изучения экзопланеты использовали в июне этого года. В результате астрономы узнали, что планета MOA-2009-BLG-266Lb, удаленная от Земли на расстояние около 3 килопарсек, имеет массу около 10 земных, обращается вокруг своей звезды за 7,6 земных лет.

Таким образом, набор инструментов для поиска экзопланет довольно ограничен. Астрономы не могут следовать простой логике и искать другие планеты у ближайших к Земле звезд или в наиболее вероятных местах существования землеподобных планет. Для этого нужны совершенные технологии прямого наблюдения.

Прямой взгляд

Если бы мы могли увидеть далекие планеты в телескопы, как Марс или Венеру, это был бы гигантский скачок в деле поиска обитаемых миров. Но для этого нужно прямое наблюдение объекта. Это очень сложная задача, поскольку звезда обычно ярче планеты от миллионов до 10 млрд раз. Потенциально возможно создать сверхчувствительные телескопы, способные разглядеть бледное пятнышко экзопланеты, но для этого нужно каким-то образом отсеять яркий свет звезд. При этом планеты расположены очень близко к своим звездам, что еще больше осложняет задачу. Также следует помнить, что планеты отражают большую часть инфракрасных лучей, и поэтому в инфракрасном диапазоне они видны намного лучше, чем в видимом. Соответственно, наблюдения преимущественно проводятся с помощью ИК-камер. Примером может служить космический телескоп Spitzer.

Объект LRG-4-606 является отличной иллюстрацией эффекта гравитационного линзирования

Простейшим способом избавиться от «засветки» планет ярким светом центральной звезды является использование коронографа. Изначально этот прибор был предназначен для изучения Солнца и представлял собой телескоп с кружком непрозрачного материала в фокальной плоскости, который закрывал яркий диск звезды, позволяя изучать ее корону. Коронографы, используемые для поиска экзопланет, имеют более сложное устройство и различные электронные узлы для борьбы с дифракционными искажениями.

Так происходит гашение лучей засветки в интерферометре

Альтернативным и более перспективным способом является интерферометрия. Фактически это замена одного большого зеркала телескопа множеством маленьких. Благодаря взаимодействию световых волн можно убрать засветку от ярких звезд и усилить яркость лучей, указывающих на наличие планеты. При этом интерферометр позволяет получать точные данные по местоположению экзопланеты.

Интерферометрия – это одна из самых перспективных технологий поиска других миров, поскольку в будущем может позволить не только находить следы экзопланет, но и получать изображения планетных дисков. Так, в июле этого года с помощью интерферометра Keck впервые удалось рассмотреть молодую звездную систему и даже сфотографировать протопланетные диски, находящиеся на расстоянии почти 500 световых лет от Земли. При этом расстояние ближайшего диска от родительской звезды составило всего 0,1 астрономической единицы. В настоящее время астрономы работают над новым инструментом ASTRA, который позволит изучать движение планет вокруг старых звезд, и даже движение звезд вокруг черной дыры в центре нашей Галактики.

Охотник за жизнью

Однако, несмотря на адаптивную оптику, огромные зеркала и кропотливую работу астрономов, до прямого наблюдения за диском далекой экзопланеты еще далеко. А значит - обнаружить признаки цивилизации по ее непосредственной деятельности (свет городов, масштабное изменение ландшафта и т.п.) не удастся. Прорыв в этом деле мог бы совершить новый космический телескоп НАСА James Webb (JWST).

Этот инновационный аппарат с 6,5-м инфракрасным телескопом планируют запустить в 2013 году и вывести на орбиту на расстоянии около одного миллиона километров от Земли, в 4 раза дальше, чем от Земли до Луны. Чувствительные приборы JWST впервые смогут получить инфракрасные изображения гигантских планет и планетных систем. Благодаря большому зеркалу JWST также сможет наблюдать за пылевыми дисками протопланет, а также получать информацию о составе атмосферы транзитных планет. Таким образом, JWST станет настоящим «охотником» за экзопланетами и повысит наши шансы на обнаружение землеподобных обитаемых миров.

JWST не просто обнаружит экзопланеты, но и сможет выяснить их цвет. Например, планета, похожая на Землю, будет выглядеть синей. Если понаблюдать за ней достаточное время, то можно будет увидеть изменение цвета из-за сезонных колебаний в растительном покрове, замерзания воды и т.д. К сожалению, JWST не сможет использовать большой список экзопланет, открытых телескопом "Кеплер", поскольку они намного дальше радиуса действия JWST, составляющего 30-65 световых лет. Ограничение по дальности связано со слишком слабым светом, исходящим от удаленных звезд. Однако, по сравнению с "Кеплером", JWST сможет обозревать всю небесную сферу и за год изучить 20-30 звездных систем с высокой вероятностью обнаружения до 5 землеподобных планет. В общем, телескоп James Webb будет впервые не искать «там где светло», а целенаправленно в течение длительного периода изучать ближайшие к нам звездные системы. В настоящее время только этот перспективный инструмент имеет большие шансы обнаружить пригодную для обитания планету.

Космический телескоп James Webb – это уникальное сочетание современных технологий. Например, его солнцезащитный экран создаст глубокую тень, спасающую от засветки, которая мешает всем существующим телескопам

Увы, техническая сложность JWST вылилась в его гигантскую стоимость, которая сегодня оценивается в 8,7 млрд долл., а также высококвалифицированную работу на протяжении 15 лет. В Конгрессе уже пытаются ограничить финансирование этой миссии, что означает затягивание, а то и вовсе отмену на три четверти готового JWST. Астрономы называют James Webb «телескопом, съевшим астрономию», но при этом подчеркивают его значимость для всего человечества и ехидно замечают, что в этом году продажи рекламы только в американских баскетбольных студенческих командах превысили бюджет НАСА. Частные спонсоры не интересуются миссией JWST, как и правительства большинства стран, для которых трата миллиардов долларов на телескоп кажется безумием. Остается лишь надеяться, что вопрос о собратьях по разуму не окажется менее важным, чем очередной вооруженный конфликт или Олимпийские игры.

Телескоп "Кеплер" изучил лишь маленький участок неба, но и там нашлись сотни экзопланет

Как ни фантастично звучит идея обнаружения жизни на других планетах, это сенсационное сообщение мы можем услышать в ближайшие десятилетия. Для того, чтобы найти 1235 потенциальных планет, космический телескоп "Кеплер" изучил более 156 тыс. звезд в области, занимающей четырехсотую часть небесной сферы. Это означает, что даже с помощью несовершенного инструмента и транзитного метода планеты можно обнаружить с вероятностью 8%. На самом деле шансов найти планету, исследуя звездную систему, намного больше – нужен только соответствующий инструмент. Сложнее с критериями обитаемости. Пока ученые ориентируются в основном на похожие на Землю планеты, но жизнь может родиться и на планетах, абсолютно не похожих на нашу.

Михаил Левкевич