Экзопланета (газовый гигант) в представлении художника
Гипотетически существующий тип экзопланет — планета-океан с двумя спутниками в представлении художника
Экзопланета Gliese 581d в представлении художника

Экзоплане́та (др.-греч. ἔξω, exō — вне, снаружи), или внесолнечная планета, — планета, находящаяся вне Солнечной системы. Долгое время задача обнаружения планет возле других звёзд оставалась неразрешённой, так как планеты чрезвычайно малы и тусклы по сравнению со звёздами, а сами звёзды находятся далеко от Солнца (ближайшая — на расстоянии 4,24 световых года). Первые экзопланеты были обнаружены в конце 1980-х годов[⇨].

Сейчас такие планеты стали открывать благодаря усовершенствованным научным методам, зачастую на пределе их возможностей. На вторую половину ноября 2018 года достоверно подтверждено существование 3889 экзопланет в 2900 планетных системах, из которых в 645 имеется более одной планеты[1]. Следует отметить, что количество надёжных кандидатов в экзопланеты значительно больше. Так, по проекту «Кеплер» на февраль 2017 года числилось ещё 4706 надёжных кандидатов[2], однако для получения ими статуса подтверждённых планет требуется их повторная регистрация с помощью наземных телескопов.

Общее количество экзопланет в галактике Млечный Путь в настоящее время оценивается не менее чем в 100 миллиардов[3], из которых ~ от 5 до 20 миллиардов, возможно, являются «землеподобными». Также, согласно текущим оценкам, около 34 % солнцеподобных звёзд имеют в обитаемой зоне планеты, сравнимые с Землёй[4][5]. Общее количество планет вне Солнечной системы, напоминающих Землю и обнаруженных к настоящему времени (август 2016 года), составляет 216[6].

Подавляющее большинство открытых экзопланет обнаружено с использованием различных непрямых методик детектирования, а не визуального наблюдения. Большинство известных экзопланет — газовые гиганты и более походят на Юпитер, чем на Землю. Очевидно, это объясняется ограниченностью методов обнаружения (легче обнаружить короткопериодичные массивные планеты).

История открытий

Количество экзопланет, открытых разными способами:
     Радионаблюдение пульсаров      Метод радиальных скоростей      Транзитный метод      Метод синхронизации
     Визуальное наблюдение      Гравитационное линзирование      Астрометрический метод
Анимация хронологии открытия экзопланет. Цвет точки означает метод открытия. Горизонтальная ось — размер большой полуоси. Вертикальная ось — масса. Для сравнения белым цветом обозначены планеты солнечной системы

Исторически первым заявлением о возможности существования планетной системы у другой звезды было сообщение капитана Джейкоба (Capt. W. S. Jacob), астронома Мадрасской обсерватории (East India Company’s Madras Observatory), сделанное в 1855 году[7]. В нём сообщалось о «высокой вероятности» существования «планетарного тела» в двойной системе 70 Змееносца. Позже, в 1890-х годах, астроном Томас Дж. Дж. Си из Чикагского университета и Военно-морская обсерватория США подтвердили[8] наличие в системе 70 Змееносца несветящего тела (невидимого спутника) с периодом обращения в 36 лет, однако расчёты[9] Ф. Р. Мультона опровергают подтверждения, выполненные Си, доказывая неустойчивость подобной системы. Поэтому на данный момент (2016 год) существование планетной системы у звезды 70 Змееносца не признаётся наукой. Исследования, проведённые на Обсерватории Макдональд в 2006 году, показали, что если у 70 Змееносца есть планета (планеты), то её (их) масса должна лежать в пределах 0,46 — 12,8 MJ, а расстояние до звезды — от 0,05 до 5,2 а.е.[10]

Первые попытки найти планеты вне Солнечной системы были связаны с наблюдениями за положением близких звёзд. Ещё в 1916 году Эдуард Барнард обнаружил красную звёздочку, которая «быстро» смещалась по небу относительно других звёзд. Астрономы назвали её летящей звездой Барнарда. Это одна из ближайших к нам звёзд, с массой в семь раз меньше солнечной. Исходя из этого, влияние на неё потенциальных планет должно было быть заметным. В начале 1960-х годов Питер Ван де Камп объявил, что открыл у неё спутник массой с Юпитер. Однако Дж. Гейтвуд в 1973 году определил, что звезда Барнарда движется без колебаний и, следовательно, массивных планет не имеет. В 2018 году было объявлено об обнаружении у звезды Барнарда суперземли (GJ 699 b) массой не менее 3,2 масс Земли[11].

В конце 1980-х годов многие группы астрономов начали систематическое измерение скоростей ближайших к Солнцу звёзд, ведя специальный поиск экзопланет с помощью высокоточных спектрометров.

Впервые внесолнечная планета была найдена канадцами Б. Кэмпбеллом, Г. Уолкером и С. Янгом в 1988 году у оранжевого субгиганта Гамма Цефея A (Альраи), но её существование было подтверждено лишь в 2002 году.

В 1989 году сверхмассивная планета (или коричневый карлик) была найдена Д. Латамом около звезды HD 114762 A. Однако её планетный статус был подтверждён только в 1999 году.

Авторское представление о транзите планеты GJ 1214 b перед своей звездой

Первые экзопланеты были обнаружены у нейтронной звезды PSR 1257+12 астрономом Александром Вольшчаном[12] в 1991 году, были признаны вторичными, то есть возникшими уже после взрыва сверхновой.

В 1995 году астрономы Мишель Майор (Michel Mayor) и Дидье Кело (Didier Queloz) с помощью сверхточного спектрометра обнаружили покачивание звезды 51 Пегаса с периодом 4,23 сут. Планета, вызывающая покачивания, напоминает Юпитер, но находится в непосредственной близости от светила. В среде астрономов планеты подобного типа называют «горячими юпитерами» (см. типы экзопланет).

В дальнейшем путём измерения лучевой скорости звёзд и поиска их периодического доплеровского изменения (метод Доплера) было обнаружено несколько сотен экзопланет.

В августе 2004 года в системе звезды (μ Жертвенника) была обнаружена экзопервая планета типа «горячий нептун». Планета обращается вокруг светила за 9,55 суток на расстоянии 0,09 а.е.. Температура на поверхности планеты ~ 900 K (+626 °C). Масса планеты ~ 14 масс Земли.

Первая экзопланета типа «сверхземля», обращающаяся вокруг нормальной звезды (а не пульсара), была обнаружена в 2005 году около звезды Глизе 876. Её масса — 7,5 масс Земли.

В 2004 году было получено первое изображение (в инфракрасных лучах) кандидата в экзопланеты у коричневого карлика 2M1207.

13 ноября 2008 года впервые удалось получить изображение сразу целой планетной системы — снимок трёх планет, обращающихся вокруг звезды HR 8799 в созвездии Пегаса. Это первая планетная система, открытая у горячей белой звезды раннего спектрального класса А5. Все открытые ранее планетные системы (за исключением планет у пульсаров) были обнаружены вокруг звёзд более поздних классов (F-M)[13].

13 ноября 2008 года также впервые удалось обнаружить планету Фомальгаут b, вращающуюся вокруг звезды Фомальгаут, путём прямых наблюдений[14].

В 2011 году Дэвид Беннетт из Университета Нотр-Дам (Индиана, США) объявил, что на основе наблюдений 2006—2007 годов, проделанных на 1,8-метровом телескопе Университетской обсерватории Маунт-Джон в Новой Зеландии, открыл с помощью метода микролинзирования десять одиночных юпитероподобных экзопланет. Правда, две из них могут быть высокоорбитальными спутниками ближайших к ним звёзд[15].

В сентябре 2011 года было объявлено об открытии двух экзопланет KIC 10905746 b и KIC 6185331 b любителями астрономии в рамках проекта «Planet Hunters» по анализу данных, собранных телескопом «Кеплер»[16][17]. При этом упоминалось о 10 кандидатах в планеты, но на тот момент только два из них с достаточной степенью уверенности определялись учёными как экзопланеты. Планеты были найдены добровольными участниками проекта среди данных, которые профессиональные астрономы по тем или иным причинам отсеяли, и если бы не помощь добровольцев, то эти планеты, вероятно, остались бы не открытыми.

5 декабря 2011 года телескопом «Кеплер» была обнаружена первая экзопланета типа «сверхземля» в обитаемой зоне — Kepler-22 b[18].

20 декабря 2011 года телескопом «Кеплер» у звезды Кеплер-20 были обнаружены первые экзопланеты размером с Землю и меньше — Kepler-20 e (радиусом 0,87 земного и массой от 0,39 до 1,67 масс Земли) и Kepler-20 f (0,045 массы Юпитера и 1,03 радиуса Земли)[19].

22 февраля 2012 года учёные из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики открыли первую экзопланету типа «суперземля», расположенную от Земли на расстоянии 40 световых лет и предположительно являющуюся планетой-океаном — GJ 1214 b[20]. Последние данные транзитных проходов позволяют судить о наличии у GJ 1214 b протяжённой водородно-гелиевой атмосферы, низком уровне метана и слое облаков на уровне давления 0,5 бар, что не соответствует свойствам атмосферы с устойчивым доминированием водяных паров[21]. Период обращения планеты вокруг звезды — красного карлика — 38 часов, расстояние составляет около 2 миллионов километров. Температура на поверхности планеты составляет примерно 230 °C.

В 2015 году была обнаружена экзопланета, похожая на молодой Юпитер[22].

В феврале 2017 года было объявлено, что вокруг звезды TRAPPIST-1 обнаружено семь планет, близких к размеру Земли[23][24].

Инструменты и проекты изучения экзопланет

Астрономические спутники

Кривая блеска звезды Kepler-6 по данным телескопа «Кеплер». Изменение блеска вызвано прохождением экзопланеты Kepler-6 b по диску звезды
  • COROT (ЕКА) — специализированный 30-сантиметровый орбитальный космический телескоп, снимающий кривые блеска многих звёзд в момент прохождения перед ними планет. Запущен 27 декабря 2006 года. Предполагалось с его помощью обнаружить десятки планет земного типа. К марту 2010 года COROT открыл семь экзопланет и один коричневый карлик.
  • «Кеплер» (НАСА) — космический телескоп системы Шмидта с диаметром зеркала 0,95 м, способный одновременно отслеживать 100 тыс. звёзд. Запущен 7 марта 2009 года. Планировалось обнаружить около 50 планет, размерами, идентичными Земле, и порядка 600 планет, в 2,2 раза превосходящих Землю по размеру. «Кеплер» обращается вокруг Солнца по орбите радиусом в одну астрономическую единицу. Расчётный срок эксплуатации был определён в 3,5 года. Позднее было объявлено о продлении миссии до 2016 года, однако в мае 2013 года телескоп вышел из строя[25][26]. К этому времени «Кеплер» достоверно открыл 132 экзопланеты[27]. Список надёжных кандидатов внесолнечных планет содержал 2740 объектов.
  • Gaia — космическая обсерватория, выведенная на орбиту 19 декабря 2013 года с целью построения трёхмерной карты нашей Галактики. Предположительно должна будет открыть около 10 тыс. экзопланет.
  • Наземные обсерватории, ведущие наблюдение транзитным методом
    • «SuperWASP» — самый успешный наземный телескоп. На 2012 год транзитным методом обнаружил более 70 экзопланет. Состоит из 2-х обсерваторий: «SuperWASP-North» в обсерватории Роке де лос Мучачос на острове Пальма (Канарские острова) и «SuperWASP-South», находящейся в Южноафриканской астрономической обсерватории. Каждая обсерватория состоит из 8 широкоугольных автоматических телескопов с апертурой 111 мм.
    • Проект HATNet — сеть 6 автоматических телескопов с широким полем зрения, 4 из которых расположено на обсерватории им. Фреда Лоуренса в Аризоне, 2 — на территории Смитсоновской астрофизической обсерватории на Гавайях. На начало 2012 проектом открыто 33 экзопланеты.
    Наземные обсерватории, ведущие наблюдение методом лучевых скоростей (доплеровским методом)
    • HARPS — высокоточный спектрограф, установленный в 2002 году на 3,6-метровом телескопе в обсерватории Ла-Силья в Чили. Наблюдение ведётся методом лучевых скоростей. Часть ESO.
    • Обсерватория Кека — обсерватория, состоящая из двух крупнейших в мире зеркальных телескопов. В каждом из телескопов по три первичных зеркала диаметром 10 метров.

    Прорабатываемые проекты:

    • PEGASE — проект, который первоначально планировался на 2010—2012 годы;
    • EChO — проект, находящийся на стадии теоретической проработки. В случае одобрения ЕКА будет запущен ориентировочно в 2022 году;
    • Advanced Technology Large-Aperture Space Telescope (ATLAST) — проект, запуск которого запланирован после 2025 года, а запуск аппарата после 2030 года.

    Помимо космических миссий, в будущем планируется развивать наземные инструменты. К примеру, на строящемся Европейском чрезвычайно большом телескопе будет установлено оборудование, способное к изучению атмосферы экзопланет[28].

Методы поиска экзопланет

  1. Метод Доплера — спектрометрическое измерение радиальной скорости звезды. Самый распространённый метод. Позволяет обнаружить планеты с массой не меньше нескольких масс Земли, расположенные в непосредственной близости от звезды, и планеты-гиганты с периодами до примерно 10 лет. Планета, обращаясь вокруг звезды, как бы раскачивает её, и мы можем наблюдать доплеровское смещение спектра звезды.
    Метод позволяет определить амплитуду колебаний радиальной скорости для пары «звезда — одиночная планета», массу планеты, период обращения, эксцентриситет и нижнюю границу значения массы экзопланеты . Угол между нормалью к орбитальной плоскости планеты и направлением на Землю современные методы измерить не позволяют.
    На ноябрь 2011 года этим методом зарегистрировано 647 планет[29].
  2. Транзитный метод — метод, основанный на наблюдении уменьшения светимости звезды при прохождении планеты на её фоне. Позволяет определить размеры планеты, а в сочетании с методом Доплера — плотность планеты. Даёт информацию о наличии атмосферы и её составе. Следует понимать, что этим методом можно обнаружить лишь те планеты, орбита которых лежит в одной плоскости с точкой наблюдения.
    На ноябрь 2011 года с помощью этого метода обнаружено 185 планет[30].
  3. Метод гравитационного микролинзирования. Между наблюдаемым объектом (звездой, галактикой) и наблюдателем на Земле должна быть другая звезда, выступающая в роли линзы и фокусирующая своим гравитационным полем свет наблюдаемой звёздной системы. Если у звезды-линзы есть планеты, то появляется асимметричная кривая блеска, и, возможно, отсутствие ахроматичности. У этого метода крайне ограниченное применение. Метод чувствителен к планетам с малой массой, вплоть до земной.
    На сентябрь 2011 года с помощью этого метода было открыто 13 планет[31].
  4. Астрометрический метод — метод, основанный на изменении собственного движения звезды под гравитационным воздействием планеты. С помощью астрометрии были уточнены массы некоторых экзопланет, в частности, Эпсилона Эридана b. Будущее этого метода связано с орбитальными миссиями, такими, как SIM.
  5. Радионаблюдение пульсаров. Если вокруг пульсара вращаются планеты, то излучаемый пульсаром сигнал имеет осциллирующий характер. Мощные направленные пучки излучения пульсара образуют в пространстве конические поверхности. Если на такой поверхности окажется Земля, тогда возможно зарегистрировать данное излучение. На март 2010 года у двух пульсаров найдено пять планет (3+2).
  6. Метод прямого наблюдения — метод получения прямых изображений экзопланет посредством изолирования экзопланет от света их звезды. С помощью метода получено изображение четырёх планет системы
    Взгляд художника на планету HD 189733 A b

    Открытым экзопланетам в настоящее время присваиваются названия, состоящие из названия звезды, около которой обращается планета, и дополнительной строчной буквы латинского алфавита, начиная с буквы «b» (например, 51 Пегаса b). Следующей планете присваивается буква «c», потом «d» и так далее по алфавиту. При этом буква «a» в названии не используется, так как такое название подразумевало бы собственно саму звезду. Кроме того, следует обратить внимание на то, что планетам присваиваются названия в порядке их открытия, то есть планета «с» может быть ближе к звезде, чем планета «b», просто открыта она была позднее (как, например, в системе Глизе 876). Если об открытии планет в одной системе объявлено одновременно, то название присваивается в порядке отдаления от звезды.

    В названиях экзопланет существовало исключение. Дело в том, что до открытия системы 51 Пегаса в 1995 году экзопланеты называли иначе. Первые обнаруженные экзопланеты у пульсара PSR 1257+12 были названы прописными буквами PSR 1257+12 B и PSR 1257+12 C. Кроме того, после обнаружения новой, более близкой к звезде планеты, она была названа PSR 1257+12 A, а не D. Впоследствии эти планеты были переименованы во избежание путаницы в соответствии с современной системой именования экзопланет.

    Некоторые экзопланеты имеют дополнительные неофициальные «прозвища» (как, например, 51 Пегаса b неофициально названа «Беллерофонт»). В научном сообществе присвоение официальных личных имён планетам считалось непрактичным, однако в 2015 году Международный астрономический союз провёл всемирное голосование[35], где выбирались названия для самых известных планетных систем. По его результатом были даны собственные имена 14 звёздам и 31 экзопланете вокруг них[36].

    Свойства экзопланет

    Предположительные размеры планет типа сверхземля, в зависимости от их массы и химического состава[37]. Примеры таких планет: планета-океан, в значительной части состоящая из воды; железная планета, углеродная планета
    Сравнение системы Kepler-11 с орбитами Меркурия и Венеры

    Планеты обнаружены приблизительно у 10 % звёзд, включённых в программы поисков. Их доля растёт по мере накопления данных и совершенствования техники наблюдения.

    Сравнение Солнечной системы с системой 55 Рака

    Поначалу большинством открытых экзопланет были планеты-гиганты (так как планеты других типов обнаружить труднее). Однако к настоящему времени (2012 год) открыто множество планет с массами порядка массы Нептуна и ниже. Из 2326 кандидатов, обнаруженных телескопом «Кеплер», 207 имеют примерно земной размер, 680 имеет размеры суперземли, 1181 — Нептуна, 203 — размер, сравнимый с юпитерианским, и 55 — больший, чем у Юпитера.

    Наблюдается зависимость количества планет-гигантов от содержания тяжёлых элементов (металлов) в звёздах. Системы с планетами-гигантами встречаются также преимущественно у звёзд солнечного типа (классов K5-F5), в то время как у красных карликов их доля значительно меньше (у 200 наблюдаемых красных карликов обнаружены пока что только три подобные системы). Последние открытия, сделанные методом гравитационного микролинзирования, говорят о широкой распространённости систем с планетами средней массы типа Урана и Нептуна вместо газовых гигантов. Это в первую очередь относится к маломассивным звёздам и звёздам с низким содержанием металлов.

    Для ряда планет получена оценка их диаметра, что позволяет определить их плотность, а также строить предположения относительно наличия массивных ядер, состоящих из тяжёлых элементов. Европейские астрономы под руководством Тристана Гийо (Tristan Guillot) из Обсерватории Лазурного берега (Франция), установили, что при сравнении плотности планет с содержанием металлов в их звёздах имеется определённая корреляция. Планеты, сформированные вокруг звёзд, которые являются столь же богатыми металлом, как наше Солнце, имеют маленькие ядра, в то время как планеты, звёзды которых содержат в два-три раза больше металлов, имеют намного большие ядра.

    У экзопланет, движущихся на орбитах с большим эксцентриситетом и состоящих из нескольких слоёв вещества (коры, мантии и ядра), приливные силы могут высвобождать тепловую энергию, которая может способствовать созданию и поддержанию благоприятных для жизни условий на космическом теле, а их орбита, со временем, может эволюционировать в околокруговую[38].

    Наиболее близкой по условиям к Земле экзопланетой, известной на 2009 год, является Глизе 581 c, температура на которой, по предварительным оценкам, находится в диапазоне 0—40 °C. Также теоретически возможно, что на этой планете существуют запасы жидкой воды (что подразумевает возможность существования жизни).

    Из самых необычных экзопланет стоит отметить HD 189733b с дождями из раскаленного стекла, CoRoT-7b со снегом в виде камней, 55 Рака e с водой одновременно в двух состояниях: жидком и газообразном, PSR J1719-1438 b в виде одного гигантского алмаза[39]. NASA к Хэллоуину составила шестерку «Галактики Ужасов»: уже упоминавшаяся HD 189733b, Tres-2b с глубоким красным свечением, 5 Cancri е с кромешной тьмой на сумеречной стороне и расплавленной лавой на дневной, Полтергейст (PSR 1257 + 12 с) находится среди ядер мертвых планет, выбрасывает потоки радиации и вращается вокруг погибшего пульсара, Kepler-70b имеет температуру поверхности в 6 800 градусов по Цельсию и Оса 12 B — газовый гигант в форме яйца[40].

    Некоторые экзопланетные системы

    Ипсилон Андромеды d — газовый гигант класса II, содержащий водные облака. Одним из открытых вопросов экзопланетологии является наличие у газовых гигантов массивных лун, способных удержать достаточно плотную атмосферу. До сих пор наблюдений наличия лун сделано не было. В представлении художника вокруг Ипсилон Андромеды d обращается луна, содержащая жидкий океан
    Взгляд художника на планету HD 69830 d, астероидный пояс звезды HD 69830 на заднем плане
    Взгляд художника на планету PSR B1620-26 b, открытую в 2003 году. Планете около 12,7 миллиардов лет[41], что делает её одной из старейших из известных экзопланет
    Взгляд художника на закат трёх светил на предполагаемом спутнике планеты HD 188753 A b
    Взгляд художника на планету OGLE-2005-BLG-390L b, температура поверхности которой составляет −220 °C. Планета вращается вокруг звезды на расстоянии 20 000 световых лет от Земли и была обнаружена с помощью гравитационного микролинзирования
    Планетная система ε Эридана в представлении художника