Экзопланеты: история открытия и современные достижения

Экзопланеты: история открытия и современные достижения

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Учреждение образования

«БРЕСТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ А. С. ПУШКИНА»

Физический факультет

Кафедра теоретической физики и астрономии

Курсовая работа

по специализации «Теоретическая физика»

Экзопланеты: история открытия и современные достижения

Брест 2010



Содержание

Введение

Экзопланеты

История открытия экзопланет

Современные достижения в открытии экзопланет

Заключение

Литература

Введение

Вселенная - это не только звезды и планеты. Это значительно больше: и колыбель разумной жизни, и Мировой разум, и вообще все.

Мы не только капля в океане, который называется Вселенной. Но эта капля не затерялась во вселенском океане, она связана множеством нитей абсолютно со всем во Вселенной, эта капля влияет на все, что происходит во Вселенной.

Земная цивилизация не единственная во Вселенной. Их бесконечное множество. Они находятся на разных уровнях развития. Они опередили нас в развитии, другие отстают. Но у всех у нас один Творец - Мировой разум.

Законы развития Вселенной (в том числе и Земли) определены. Других законов мы придумать не можем. Но мы можем и должны, если хотим нормально жить, строить свою жизнь (включая экономику, промышленность) в соответствии с этими законами. А для этого надо их знать.

Исследование Вселенной без сомнения станет одной из наиболее захватывающих страниц научных исканий 21 века.

Экзопланеты

Если древние считали Землю центром Вселенной, то сегодня космологи вопрос об уникальности планеты Земля предлагают разделить на несколько: имеются ли планеты вне Солнечной системы?; существуют ли планетные системы, аналогичные солнечной?; существуют ли «землеподобные» планеты?

Иные планеты, не принадлежащие Солнечной системе, в литературе окрестили экзопланетами. Греческая приставка «экзо» означает «вне», «снаружи». Есть и альтернативное название таких планет - внесолнечная планета (extra solar planet).

Планеты Солнечной системы образовались из плоского газово-пылевого облака, окружавшего светило. По современным оценкам понадобилось около 60 мил. Лет аккумуляции вещества, пришедшего в конечном счете к формированию планет. Выделяют две основные группы планет, которые вращаются вокруг Солнца примерно в одной плоскости. К первой группе со средней плотностью образующего их вещества (около 5 г/см3) относятся Меркурий, Венера, Земля и Марс. Вторая группа состоит из планет-гигантов: Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна, усредненная плотность которых составляет примерно 1,4 г/см3. Плутон не относится ни к одной из указанных групп и составляет впечатление чужеродного космического тела, «прихваченного» по небесной дороге гравитационным полем Солнца в результате разного рода космических коллизий.

Важным свидетельством единого характера образования большинства планет Солнечной системы являются их однонаправленные движения практически в одной плоскости вокруг Солнца, медленно вращающегося в том же направлении.

В ночь на 14 ноября 2003 года граница планет Солнечной системы была как бы перенесена и ее можно теперь проводить в трое дальше от Солнца по сравнению с той, что означалась орбитой Плутона. Астрономы Паломарской обсерватории (CША, штат Калифорния) обнаружили небесное тело, которое получило название Седна - честь эскимоской богини моря. Диаметр Седны менее 1700 км и вместе с Марсом - они самые красноокрашенные планеты в Солнечной системе. Температура на её поверхности не превышает -240°С. Причина такой «холодины» проста - орбита Седны проходит более чем в 13 млрд. км от Солнца. К Солнцу она приближается раз в 10 тыс. 500 лет, да и то ненадолго. К тому же Седна в этой точке (перигелии) находится примерно в 80 а.е. от Солнца, т.е. в 80 раз дальше, чем Земля от Солнца.

Открытие Седны, рассматриваемой как планетоид, не столь исключительное событие. Планетоиды открывают по несколько раз в год. Однако таких крупных тел в Солнечной системе не обнаруживали с 1930 года, когда стало известно о существовании Плутона. И поскольку Седна обращается вокруг общего светила, её можно рассматривать в качестве равноправного (хотя и неприметного) родственника планет Солнечной системы.

Полный оборот вокруг своей оси Седна делает за 20-30 земных суток. Только Меркурий и Венера оборачиваются медленнее (они замедляются в своем вращении гравитационной силой близкого к ним Солнца). В предстоящие 72 года Седна будет приближаться к Солнцу и соответственно, светится все ярче. А затем по своей эллиптической орбите станет удаляться на периферию Солнечной системы.

В это же время официально расширение пояса планет Солнечной системы ещё не состоялось. Международный астрономический союз (LAU) сформировал рабочую группу, чтобы рассмотреть определение минимального размера для планеты. К тому же две группы астрономов(испанская и американская) объявили об открытии нового объекта, который может оказаться даже крупнее Плутона. Большая часть его орбиты лежит намного дальше Плутона, и он не приближается к Солнцу ближе, чем Нептун.

В целом такое развитие событий заставляет задуматься над тем, что же такое Солнечная система? Помимо девяти планет и их спутников (плюс мириады астероидов и комет) в настоящее время как часть Солнечной системы рассматриваются также пояс Койпера и облако Оорта.

Пояс Койпера - обширная область небесной сферы, лежащая за орбитой Нептуна, примерно от 30 до 100 а.е. от Солнца, населенная объектами типа астероидов и ядер комет. Американский астроном Джерард Койпер (1905 - 1973) в 1951 году высказал предположение о существовании такого явления. Но только в 1922 году был открыт первый объект пояса Койпера диаметром около 280 км. К настоящему времени число открытых транснептуновых объектов приближается к тысяче. К числу крупных объектов пояса Койпера относятся также такие небесные тела как Квавар, Иксион, Варуна, Хаос и Седна, вызвавшие в последние десятилетия оживленные дискуссии астрономов. По оценкам учёных, возможно существование, по крайней мере 35 тысяч объектов пояса Койпера диаметром более 100км. Все эти объекты - не просто далекие диковинки. Они, согласно современной точке зрения, являются не «испорченными» остатками газопылевой туманности, из которой сформировалась вся Солнечная система. Как ожидают исследователи, изучение их химического состава и распределения в пространстве дает важные сведения для поиска модели ранних этапов эволюции Солнечной системы.

Облако Оорта (по имени голландского астронома Яна Оорта, который в 1950 году предположил, что Солнечная система окружена гигантским облаком кометных тел, находящихся на расстоянии от 20000 до 200000 а.е. от Земли) - скопление сферической формы претопланетных тел, остатков эпохи образования Солнца и внутренних тел Солнечной системы. (Ян Оорт первым доказал и вращение Млечного Пути как целого.) Небольшие тела, составляющие это облако (возможно, что их там более триллиона с общей массой, примерно равной массе Юпитера), медленно, с периодом в миллионы лет, вращаются вокруг Солнца. Именно оттуда, из облака Оорта, вторгаются в Солнечную систему некоторые из составляющих их тел - скопление каменных и ледяных обломков. По мере приближения к Солнцу они начинают разогреваться, результатом чего является образование газовой струи. Такие объекты называются долгопериодическими кометами. В настоящее время облако Оорта позиционирует на расстоянии от 20 до 50 тысяч астрономических единиц от Солнца, т.е. на дальних границах Солнечной системы.

Недавно на международной астрономической конференции в итальянском городе Падуе известный американский учёный Джон Матезе из университета штата Луизиана выдвинул гипотезу, подкрепленную математическими расчётами. По мнению исследователя, внутри облака Оорта скрывается «истинная» десятая планета Солнечной системы, которая 1.5 - 6 раз массивнее Юпитера и обращается вокруг Солнца на расстоянии в 25 тысяч а.е. (примерно 0.4 световых года), совершая один оборот за 4 - 5 миллионов лет.

Но, пожалуй, самое сенсационное заключается в том, что согласно данной гипотезе, эта «невидимка» должна обращаться по своей орбите в сторону противоположную движению планет Солнечной системы. Такая орбита неустойчива и никакой объект на ней не смог бы оставаться вблизи Солнца со времен возникновения Солнечной системы. Но это значит, что в Солнечной системе такая планета появилась намного позже и представляла собой блуждавшую в космосе «беспризорную» планету, которая по воле случая была «захвачена» Солнцем.

Одной из важных задач астрономии является достижение понимания процесса образования планетных систем вокруг той или иной звезды. Уже очевидно, что образование планет - не столь редкое явление. На повестке - установление размеров «новых» планет, определение их орбит и т.п. Это необходимо для уяснения процесса зарождения планет из пылевых дисков, окружающих звезды. Именно они и поставляют материал для формирования планет. Но распознать весьма слабо светящиеся диски, состоящие из мелких, разряженных пылевых частиц, пока удалось лишь в нескольких случаях.

По современным представлениям о ходе образования планет, их ядро формируется из твердых планетезималей (слипшихся комков полевых частиц). Когда масса ядра достигает определённого критического значения, масса планеты начинает быстро возрастать как результат аккреции межзвездного газа, происходящего с высокой скоростью. Этому процессу содействует и миграция планеты из внешних областей протопланетного диска к его центру.

Планеты земного типа обладают значительно меньшей массой, чем планеты-гиганты, у которых основная масса приходится на газовую составляющую.

В самом начале формирования планеты были нагретыми телами. Недра планет, в том числе и Земли, и сейчас имеют температуру в тысяча градусов по Цельсию. При остывании поверхности и образуется рельеф поверхности, подобный тому, который мы видим на Земле и наблюдаем на землеподобных планетах. А «наш» Юпитер совсем лишь немного по массе не «дотянул» до звезды, чтобы в его недрах начались термоядерные реакции, которые и «сделали» бы его звездой.

Возможность существования экзопланет осуждается достаточно давно. В 1916 году американский астроном Эдуард Барнард предположил, что он открыл планету, влияющую на движение звезды, названной позже в честь первооткрывателя звездой Барнарда. Впоследствии выяснилось, что эта звезда находится на втором месте по удалённости от Солнца после системы Альфа Кентавра, но планеты у нее все же не оказалось.

Первым подтвердившимся открытием экзопланеты стало обнаружение ее у радиопульсара, находящегося на расстоянии в 1000 световых лет от Солнца. Оно было сделано в 1991 году польским астрономом Алексом Вольцжаном. К 1993 году выявилось присутствие рядом с этим пульсаром трех планет с массами 0.2, 4.3 и 3.6 массы Земли. В 1996 году было установлено, что имеется и четвертая планета с массой Сатурна. И если у первых трех период обращения вокруг нейтронной звезды составил, соответственно , 25, 67, и 98 суток, то у четвертой - около 170 лет. Таким образом, была сразу же обнаружена целая планетная система.

Обнаруженная планетная система считается весьма странной. Нейтронная звезда возникает в результате взрыва сверхновой. В момент взрыва звезда теряет большую часть своей массы и возникший пульсар не может удержать рядом с собой планеты, которыми могла обладать массивная звезда. Поэтому маломассивные спутники, обнаруженные рядом с пульсаром RSR1257+12, сформировались после взрыва сверхновой. Но из чего и как - неясно. Подобного рода планеты по причине неясного происхождения считают каким-то неполноценным. К тому же лишь еще у одного далекого пульсара, хотя их открыто уже более 1000, обнаружилось наличие планеты. Последняя оказалась гигантом, в несколько раз массивнее Юпитера.

Метод обнаружения планет имеет под собой следующую физическую основу. Вращающаяся нейтронная звезда - пульсар излучает строго периодические электромагнитные импульсы. Пульсары - чрезвычайно стабильные источники радиосигналов. Поэтому радиоастрономы определяют скорость их движения с точностью до 1 см в секунду.

Гравитационное воздействие планеты приводит к «покачиванию» пульсара и к периодическому прерыванию посылаемого ею радиоимпульса. Открытие первой «настоящей» экзопланеты датируется 1995 годом. В основе открытия - математическая обработка компьютером полученных с помощью телескопа данных наблюдения за движением и светимостью звезды. Оно было сделано астрономами Женевской обсерватории, которые измеряли скорости движения 142 звезд, похожих по своим характеристикам на Солнце и находящихся в «близи» Земли. В результате выяснилось: звезда 51 в созвездии Пегаса, удаленная от Солнца на 50 световых лет, испытывает периодические «покачивания», обусловленные наличием у нее планеты-гиганта. Расстояние между планетой и звездой в 20 раз меньше, чем от Земли до Солнца. Планета мчится с бешенной скоростью, обегая звезду за 4 дня. Из-за близости к звезде поверхность планеты должна быть нагрета до 700 градусов по Цельсию, так сказать, «Горячий Юпитер»! Обнаружились и другие системы, в которых планеты-гиганты образовались очень близко к своей звезде и подобны первооткрывательнице этого списка. Для их обозначения в обиход вошел термин «горячий Юпитер». К 2006 году обнаружено уже свыше 150 таких «горячих Юпитеров».

Следует в тоже время еще раз пояснить смысл термина «поиска планет». Звезды наблюдаются с помощью телескопов, соединенных с компьютером, который управляет процессом согласно созданной для этой цели программе. Регистрируется электромагнитное излучение, испускаемое каждой из наблюдаемых звезд, которое затем анализируется для установления наличия отклонений в их спектре. Например, о присутствии планеты, если наблюдение ведется в видимой части спектра, т.е. фиксируется световой поток, может сигнализировать внезапное увеличение яркости изображения звезды. Причина такого явления может быть связана с гравитационным воздействием планеты на лучи света, исходящие от «Солнца». Когда она проходит между своим «солнцем» и направлением, в котором находится Земля, тяготение планеты, подобно линзе, собирает его лучи.

Разумеется, возможны и другие объяснения таких кратковременных вспышек звезд. Поэтому так много было «открытий», которые истинными открытиями так и не стали. И требуются многократные проверки, чтобы исключить всякие сомнения.

Особые старания астрономов направлены на поиск планет, подобных Земле. В августе 2004 года удача улыбнулась группе португальских ученых, работающих в обсерватории Ла Силья в Чили. В созвездии Жертвенника была открыта планета, которая, по мнению исследователей, не является газовым гигантом и имеет твердую поверхность. Планета делает оборот вокруг своего светила за 9.55 суток и находится от него на расстоянии 13 миллионов километров, т.е. вдесятеро меньшим, чем Земля от Солнца. Масса ее оценивается приблизительно в 14 масс Земли, по размеру она соответствует примерно Урану. Планета официально пока безымянная, но ее уже окрестили Суперземлей. Из-за того, что она расположена близко к звезде, температура на поверхности оценивается в 650 градусов по Цельсию, что слишком много для возможности возникновения любой из известных жизненных форм. Ее скорее можно рассматривать как гигантский аналог Меркурия. На научном форуме в июле 2004 года в Стокгольме новое открытие было названо важнейшим после обнаружения в 1995 года первой «настоящей» экзопланеты. В целом обнаружение экзопланет стало одним из крупнейших достижений 20-го столетия. Стало очевидным: Солнечная система не уникальна. Учитывая, что в нашей Галактике порядка 150 миллиардов звезд, вполне возможно, что у половины из них могут быть планеты. Специалисты в тоже время полагают, что несмотря на интенсивное развитие технологий поиска экзопланет, может пройти не менее десяти лет до того, как ученые смогут обнаружить планеты, подобные Земле.

Таким образом, формирование планет рядом со звездами - закономерный этап развития звездных систем. В то же время Солнечная система во многом нетипична. Земля находится в «зоне жизни», т.е. в области умеренных температур на поверхности планеты и обладает биосферой. Такое особое положение Земли связано с тем, что планеты-гиганты Солнечной системы, которые движутся вне «зоны жизни», позволяют существовать длительное время в такой зоне планетам земного типа.

В 2003 году с помощью орбитального телескопа «Хаббл» в созвездии Скорпиона была обнаружена планета, которую можно считать самой древней из известных на сегодняшний день в Млечном Пути. Ее возраст оценивается в 13 миллиардов лет, т.е. она почти втрое старше Земли, которая сформировалась около 4.5 млрд. лет назад. Планету назвали «Мафусаилом» - в честь библейского патриарха, прожившего 969 лет. Это такой же невероятный для человека возраст, как и возраст 13 млрд. лет для планеты. Большая часть известных экзопланет имеет приблизительно тот же возраст, что и Земля. С точки зрения современной теории развития Вселенной, существует временной порог образования планет, содержащих тяжелые элементы. В первом поколении звезд тяжелых элементов не было, только водород и немного гелия. По мере того, как звезды, израсходовав свое газовое «топливо», взрывались, их остатки разлетались во всех направлениях, попадая на поверхности соседних звезд. В результате реакций термоядерного синтеза образовывались новые, тоже тяжелые, элементы. «Мафусаил», предположительно, из легких элементов, так как его формирование произошло в те времена, когда во Вселенной не существовало углерода и водорода. Планета обращается вокруг красной звездной системы, состоящей из двух звезд в шаровом скоплении М4, которое находится на расстоянии в 5600 световых лет от Земли. Ее масса в 2.5 раза больше массы Юпитера.

Первая фотография экзопланеты получена в апреле 2004 года на Очень Большом Телескопе (ESO, Чили). В сентябре того же года она была сфотографирована и в инфракрасных лучах. Планета обращается вокруг молодого яркого коричневого карлика, который находится на расстоянии от нас 225 световых лет в созвездии Гидры. Планета в пять раз массивнее Юпитера, ее диаметр в полтора больше, чем у Юпитера. Радиус планеты примерно на треть превышает радиус орбиты Плутона.

В созвездии Пегаса у солнцеподобной звезды HD209458, которая находится от Земли на расстоянии 150 световых лет, имеется экзопланета, получившая имя Осирис в честь египетского бога плодородия. Планета массой 0.69 масс Юпитера и размером в 1.3-1.5 раза больше Юпитера, обращается на очень близкой орбите к звезде на расстоянии 7 млн. км. от нее. Поверхность планеты нагрета звездой до 1000 градусов Цельсия. С помощью телескопа «Хаббл» удалось обнаружить в верхних слоях атмосферы планеты свободные атомы углерода и кислорода.

В силу высокой температуры поверхности планета подобна огромной комете, так как имеет огромный шлейф испаряющихся газов. Как следствие, она постоянно теряет вещество, и в конце концов от нее может остаться лишь небольшое твердое ядро.

Исследование таких «горячих Юпитеров» имеет непосредственное отношение к проверке одной из моделей возникновения малых твердых планет, подобных Земле. Возможно, что наша планета в начальный момент формирования Солнечной системы также была подобием газового гиганта с размерами даже больше Юпитера, но с меньшей плотностью. «Солнечный ветер», возникший в момент, когда в ходе эволюции в ядре молодого Солнца начались интенсивные ядерные реакции, постепенно срывал внешнюю газовую оболочку с Земли и ближайших к ней планет. Земля и планеты земной группы (Меркурий, Марс, Венера) сформировались затем из остатков твердых ядер. Часть их вещества была поглощена нынешними планетами-гигантами, а из оставшегося сформировались многочисленные астероиды и кометы.

В первой трети 20-го века господствовала космологическая гипотеза Джинса. Согласно ей, планетная система Солнца образовалась в результате космической катастрофы, почти столкновения двух звезд. В силу крайней маловероятности такого события можно было полагать, что возможность существования в Галактике еще одной «планетной семьи» практически отсутствует. Теперь мы знаем, что планетных систем в Галактике - огромное множество. И Солнечная система - скорее правило, чем исключение в мире звезд. Стало также вполне ясно, что требуется от звезды для поддержания жизни в случае возникновения ее на обращающихся вокруг нее планетах.

На роль «сестры» Земли претендует планета, об обнаружении которой летом 2005 года сообщила команда астрономов из университета Санта-Круз в Калифорнии. Она вращается вокруг звезды Gliese 876 в созвездии Водолея и расположена от нас на расстоянии 15 световых лет. Планета находится к своему солнцу в 50 раз ближе, чем Земля к своему. Поэтому температура на ее поверхности составляет 200-400 градусов Цельсия, что не оставляет шансов для наличия воды в жидком состоянии. Но главное заключается в том, что хотя планета меньше Земли почти в два раза, ее масса в 5.9-7.5 раз превышает массу Земли. Прямых доказательств того, что планета твердая по составу, скалистая, пока нет. Но ее масса говорит в пользу гипотезы, что речь идет не о газовом гиганте. Она - самая маленькая из планет, обнаруженных вне Солнечной системы. В то же время планета такой массы может обладать достаточным притяжением для удержания атмосферы. Американские астрономы подчеркнули, что рассматривают это открытие как подтверждение теории существования небольших планет, пригодных для жизни. Интересно также, что обнаруженная планета - третья из семьи планет звезды Gliese 876. Первая - газовый гигант, примерно в два раза массивнее Юпитера, обнаружена была в 1998 году, вторая, тоже газовый гигант, но с массой в два раза меньшей, чем у Юпитера, в 2001 году.

Обнаружение коричневых карликов позволило пролить свет на механизмы образования звезд и планет. Звезды судя по всему, образуются посредством гравитационного коллапса межзвездного молекулярного газа, в то время как «создание» планет начинается через скопление пылевых частиц микронных размеров. Это различие в происхождении приводит в конечном счете к тому, что если планеты являются спутниками звезд, то коричневые карлики, находясь в определенной звездной системе, ведут как бы независимый образ жизни.

Страницы: 1, 2