Как ученые находят планеты за пределами нашей Солнечной системы?

Планеты за пределами нашей Солнечной системы формируются в течение нескольких десятков миллионов лет после образования их звезд. Есть звезды, которые формируются сегодня,  другие, которым десять миллиардов лет, и  в отличие от планет Солнечной системы их можно наблюдать только такими, какие они есть сегодня. Это позволяет находить планеты за пределами нашей Солнечной системы или обнаружение экзопланет и наблюдать их на разных стадиях эволюции.

Когда планеты за пределами солнечной системы формируются, они имеют водородные оболочки, которые со временем охлаждаются и сжимаются, и, в зависимости от массы планеты, часть или весь водород в конечном итоге теряется в космосе. Это означает, что даже планеты земной группы могут начинаться с больших радиусов. Примером может служить K звезда в созвездии Лебедя Kepler-51b, которfz имеет массу всего примерно в два раза больше массы Земли, но почти равен размеру Сатурна, который в сто раз превышает массу Земли. Kepler-51b довольно молод, ему несколько сотен миллионов лет.

Как находят звездные системы у которых есть планеты

  • В среднем на каждую звезду приходится по крайней мере одна планета.
  • Примерно 1 из 5 солнцеподобных звезд  имеют планету размером с Землю в обитаемой зоне.
  • Большинство известных экзопланет вращаются вокруг звезд, примерно похожих на Солнце, т. е. звезд главной последовательности спектральных категорий. Звезды с меньшей массой (красные карлики) с меньшей вероятностью будут иметь планеты, достаточно массивные, чтобы их можно было обнаружить методом спектрометрического измерения радиальной скорости звезды. Несмотря на это, несколько десятков планет вокруг красных карликов были обнаружены космическим аппаратом “Кеплер”, который использует транзитный метод для обнаружения планет меньшего размера.
  • Звезды с более высокой металличностью, чем Солнце, с большей вероятностью будут иметь планеты, особенно планеты-гиганты, чем звезды с более низкой металличностью.
  • Некоторые планеты вращаются вокруг двойной звездной системы, и было обнаружено несколько окружных планет, которые вращаются вокруг двойной звезды. Известно несколько планет в тройных звездных системах и одна в четверной системе.

Общие характеристики и обнаружение экзопланет за пределами Солнечной системы

Обнаружение экзопланет ученые проводят по их характеристикам.

Цвет и яркость

Видимая яркость (кажущаяся величина) планеты зависит от того, насколько далеко находится наблюдатель, насколько отражательна планета и сколько света планета получает от своей звезды, что зависит от того, как далеко планета находится от звезды и насколько ярка звезда. Таким образом, планета с низкой отражательной способностью поверхности, близкая к своей звезде, может казаться ярче, чем с высоким отражением, удаленная от звезды. Это осложняет обнаружение экзопланет.

Самой темной известной планетой с точки зрения геометрической отражательной способности поверхности является TrES-2b, горячий Юпитер, который отражает менее 1% света от своей звезды, что делает его менее отражающим, чем уголь или черная акриловая краска. Ожидается, что горячие Юпитеры будут довольно темными из-за натрия и калия в их атмосфере, но неизвестно, почему TrES—2b такой темный-это может быть связано с неизвестным химическим веществом.

Для газовых гигантов отражательная способность поверхности обычно уменьшается с увеличением металличности или температуры атмосферы, если только нет облаков, которые могли бы изменить этот эффект. Увеличение глубины облачного столба увеличивает отражение на оптических длинах волн, но уменьшает его на некоторых инфракрасных длинах волн. Оптическое отражение увеличивается с возрастом, потому что более старые планеты имеют более высокую глубину облачных столбов. Оптическая отражательная способность поверхности уменьшается с увеличением массы, потому что планеты-гиганты с большей массой имеют более высокую поверхностную гравитацию, что приводит к меньшей глубине облачных столбов. Кроме того, эллиптические орбиты могут вызывать значительные колебания состава атмосферы, что может оказать значительное влияние.

Для массивных и/или молодых газовых гигантов тепловое излучение в некоторых длинах волн ближнего инфракрасного диапазона больше, чем отражение. Таким образом, хотя оптическая яркость полностью зависит от фазы, это не всегда так в ближнем инфракрасном диапазоне.

Температуры газовых гигантов снижаются со временем и с расстоянием от их звезды. Понижение температуры увеличивает оптическое отражение даже без облаков. При достаточно низкой температуре образуются водяные облака, которые еще больше увеличивают отражательную способность. При еще более низких температурах образуются облака аммиака, в результате чего образуются самые высокое отражение в большинстве оптических и ближних инфракрасных длин волн.

Магнитное поле

Взаимодействие между близким магнитным полем планеты и звездой может создавать пятна на звезде аналогично тому, как создаются полярные сияния на Юпитере. Излучение полярного сияния может быть обнаружено с помощью радиотелескопов. Обнаружение экзопланет может быть по радиоизлучению. Радиоизлучение может позволить определить скорость вращения планеты, которую трудно обнаружить иначе.

Магнитное поле Земли возникает из ее текучего жидкого металлического ядра, но в массивных сверхземлях с высоким давлением могут образовываться различные соединения, которые не соответствуют тем, которые созданы в земных условиях. Соединения могут образовываться с большей вязкостью и высокими температурами плавления, которые могут препятствовать разделению внутренних слоев на различные слои и, таким образом, приводить к недифференцированным оболочкам без сердцевины. Формы оксида магния могут быть жидким металлом при давлениях и температурах, характерных для сверхземель, и могут генерировать магнитное поле в мантиях сверхземель.

Было замечено, что горячие юпитеры (газовые гиганты) имеют больший радиус, чем ожидалось. Это может быть вызвано взаимодействием между звездным ветром и магнитосферой планеты, создающим электрический ток через планету, который нагревает ее, вызывая ее расширение. Чем более магнитно активна звезда, тем сильнее звездный ветер и тем больше электрический ток, приводящий к большему нагреву и расширению планеты. Эта теория согласуется с наблюдением о том, что звездная активность коррелирует с завышенными радиусами планет.

Тектоника плит

Независимые команды исследователей пришли к противоположным выводам о вероятности тектоники плит на больших суперземлях, причем одна команда заявила, что тектоника плит будет эпизодической или застойной, а другая команда заявила, что тектоника плит очень вероятна на суперземлях, даже если планета сухая.

Если в суперземлях более чем в 80 раз больше воды, чем на Земле, то они становятся океанскими планетами, вся суша которых полностью погружена. Однако, если воды будет меньше, чем этот предел, то цикл глубокой воды переместит достаточное количество воды между океанами и мантией, чтобы позволить континентам существовать.

Вулканизм

Большие колебания температуры поверхности на  55 Рака e  (55 Cancri e) — экзопланета (суперземля), расположенная в планетной системе солнцеподобной звезды  объясняются возможной вулканической активностью, выделяющей большие облака пыли, которые покрывают планету и блокируют тепловые выбросы.

Кольца

Кольца газовых гигантов Солнечной системы выровнены по экватору их планеты. Однако для экзопланет, которые вращаются близко к своей звезде, приливные силы от звезды приведут к тому, что самые внешние кольца планеты будут выровнены с орбитальной плоскостью планеты вокруг звезды. Самые внутренние кольца все равно будут выровнены по экватору, так что, если планета имеет наклонную ось вращения, то различные выравнивания между внутренним и внешним кольцами создадут искривленную кольцевую систему.

Атмосфера экзопланет

Атмосферы были обнаружены вокруг нескольких экзопланет. Первым наблюдением был HD 209458 b экзопланета у звезды HD 209458 в созвездии Пегаса. Это небольшая скалистая планета, очень близкая к своей звезде, которая испаряется и оставляет за собой хвост облаков и пыли, как комета. Пыль может быть пеплом, извергающимся из вулканов и улетучивающимся из-за низкой поверхностной гравитации маленькой планеты, или это могут быть металлы, которые испаряются при высоких температурах, находясь так близко к звезде, а пары металла затем конденсируются в пыль.

Также ученые сообщили, что атмосфера GJ 436 b звезды Gliese 436, красного карлика, расположенного в созвездии Льва испарялась, в результате чего вокруг планеты образовалось гигантское облако, а из-за излучения звезды-хозяина образовался длинный хвост длиной 14×106 км.

Процесс облучения солнечной энергией

Планеты повернутые к своей звезде одной стороной одно полушарие будет жарким, а  противоположное полушарие не будет получать свет и будет холодным. Такая планета могла бы напоминать глазное яблоко с горячей точкой, являющейся зрачком.

Планеты с эксцентричной орбитой могли бы быть заблокированы в других резонансах. Резонансы приведут к двойному образцу глазного яблока с горячими точками как в восточном, так и в западном полушариях. Планеты как с эксцентричной орбитой, так и с наклонной осью вращения имели бы более сложные схемы пллучения энергии.

Околозвездная обитаемая зона и обитаемость планет – астробиология

По мере того как проходило обнаружение экзопланет область экзопланетологии продолжает углубляться в изучение внеземных миров и в конечном итоге займется перспективой жизни на планетах за пределами Солнечной системы. Возможны ли полеты на другие планеты покажет  время.обнаружение экзопланет

На космических расстояниях жизнь может быть обнаружена только в том случае, если она развивается в планетарном масштабе и сильно изменяет планетарную среду таким образом, что изменения не могут быть объяснены классическими физико-химическими процессами (неравновесными процессами).

Например, молекулярный кислород (O2) в атмосфере Земли способствует фотосинтезу живых растений и многих видов микроорганизмов, поэтому его можно использовать как признак жизни на экзопланетах. Хотя небольшое количество кислорода также может быть произведено небиологическими средствами.

Кроме того, потенциально обитаемая планета должна вращаться вокруг стабильной звезды на расстоянии, в пределах которого объекты планетарной массы с достаточным атмосферным давлением могут поддерживать жидкую воду на своих поверхностях.