Экзопланеты. Физические переменные, новые и сверхновые звезды

 

1. Открытие экзопланет

Планеты чужих планетных систем получили общее название внесолнечных (экзопланет).

Экзопланета (др.-греч.— вне, снаружи), или внесолнечная планета — планета, обращающаяся вокруг звезды за пределами Солнечной системы. Планеты чрезвычайно малы и тусклы по сравнению со звёздами, а сами звёзды находятся далеко от Солнца (ближайшая — на расстоянии 4,22 световых года). Поэтому долгое время задача обнаружения планет возле других звёзд была неразрешимой, первые экзопланеты были обнаружены в конце 1980-х годов.

Первая была открыта в 1995году. Сейчас специализированные наземные программы и спутники существенно увеличили число известных планет у других звезд.

Какая экзопланета была открыта первой? Первая надежно подтвержденная планета, вращающаяся вокруг другой нормальной звезды, была открыта в 1995 году Майором и Квелоцом. Однако еще в 1992 году надежнейшее обнаружение планеты было сделано Вольцшаном и Фрейлом, но вращалась она вокруг … радиопульсара!

В 1988 году появилась работа Кэмпбелла и др., в которой говорилось о планетном кандидате, но надежно подтвердить его удалось только в 2003 году.

Наконец, в 1989 году Латам и др. открыли спутник одной из звезд, у которого до сих пор масса оценена недостаточно точно, чтобы сказать планета это или бурый карлик.

 

Главное открытие. Первые открытые системы оказались совсем не похожи на Солнечную систему. Гигантские планеты вращаются очень близко от своих звезд, иногда совершая оборот менее чем за сутки.

 

 

Как открывают?

1. Изменение лучевой скорости звезды (вращение вокруг общего центра масс системы звезда-планеты). 702 планеты.

 

2. Прохождение планеты по диску звезды. 231 планета.

 

 

3. Микролинзирование. 15 планет.

 

 

4. По таймингу (пульсары, белые карлики и двойные). 17 планет.

 

 

5. Прямые изображения. 31 планета.

 

 

 

2. Число обнаруженных экзопланет

На 23 сентября 2013 года достоверно подтверждено существование 997 экзопланет в 760 планетных системах, из которых в 169 имеется более одной планеты. Следует отметить, что количество надёжных кандидатов в экзопланеты значительно больше.

Так по проекту «Кеплер» на май 2013 года числилось 2740 кандидатов, однако для получения статуса подтверждённых требуется повторная регистрация таких планет с помощью наземных телескопов.

Общее количество экзопланет в галактике Млечный Путь, по новым данным, составляет от 100 миллиардов, из которых ~ от 5 до 20 миллиардов, возможно, являются «землеподобными».

 Также, согласно текущим оценкам, около 34 процентов солнцеподобных звёзд имеют в обитаемой зоне планеты, сравнимые с Землёй. Большинство известных экзопланет — газовые гиганты и более походят на Юпитер, чем на Землю.

 

3. Классы экзопланет:

1) Сверхземля - планета, размеры которой превышает массу Земли, но значительно уступает в размерах газовым гигантам. Первая планета, обнаруженная в этом классе - Глизе 581. Она находится в «зоне жизни» своей звезды, то есть температура на ее планете сопоставима с земной температурой. Однако, предполагается, что эта планета имеет плотную атмосферу, что значительно может повысить температуру на поверхности (как, например, на Венере).

 

 

2) Железная планета — теоретическая разновидность экзопланет земного типа, которая состоит, прежде всего, из богатого железом ядра с последующим тонким слоем мантии, либо без мантии. Текущие модели формирования планет предсказывают, что богатые железом планеты формируются на ближних орбитах или в окрестностях массивных звезд, чей протопланетный диск состоит, по-видимому, из материала богатого железом.

 

 

3) Углеродная планета— теоретическая разновидность экзопланет земного типа, которая была предсказана американским астрофизиком Марком Кюхнером. Условием для формирования планет такого типа является большое содержание углерода в протопланетном диске и малое содержание кислорода. По химическому свойству такая планета будет довольно сильно отличаться от планет земного типа, таких как Земля, Марс и Венера, которые построены преимущественно на базе кремния и кислорода, и углерода в их составе содержится не так много. Планета предположительно будет иметь железосодержащее ядро, подобно другим планетам земной группы. На таких планетах возможно существование областей, сплошь покрытых алмазами. Жизнь на таких планетах возможна, если на ней присутствует достаточное количество воды, однако она будет сильно отличаться от земной, из-за малого количества кислорода.

 

4) Двойник Земли - гипотетическая экзопланета земного типа, которая лежит в пределах «зоны жизни» звезды, и по размерам и массе примерно равна массе Земли. Такие планеты представляют огромный интерес, как возможное будущее место обитания для человечества, поскольку эти планеты потенциально могут быть пригодны для жизни и по климату могут быть похожи на Землю (на них не очень жарко и не слишком холодно). Некоторый сверхземли можно считать двойниками Земли (например, Глизе 581 g, открытая совсем недавно – 30 сентября 2010 года)

 

 

5) Планета-океан — разновидность планет, состоящих преимущественно изо льда и камней и возможно целиком покрытых океаном жидкой воды глубиной около 100 километров. Планетой-океаном могла стать только планета массой в 6-8 масс Земли. Если бы масса была бы больше, то она превратилась бы в газового гиганта, а если меньше – в сверхземлю.

 

 

6) Планета-пустыня — класс планет, на которых в основном преобладает очень жаркий климат. Такие планеты обычно находятся рядом со своей звездой. Температура на поверхности может достигать нескольких сотен градусов. Планеты такого типа имеют предположительно железосодержащее ядро, подобно другим планетам земной группы

 

 

7) Экзолуна — термин, применяемый к естественным спутникам, вращающимся вокруг экзопланет. В настоящее время не открыто ни одной экзолуны, но они, несомненно, существуют вокруг многих экзопланет. Несмотря на большие успехи поисков планет с помощью спектроскопии звёзд, экзолуны не могут быть найдены этим методом, поскольку сдвиг звездного спектра принимается за одно тело, вращающееся вокруг звезды - планета плюс её луна (или несколько её лун).

 

 

8) Газовые планеты (планеты-гиганты, газовые гиганты) — планеты, имеющие значительную долю газа в своём составе (в основном водорода и гелия). Это самые большие планеты, которые могут существовать. Газовой планетой может стать планета определенной массы (примерно 10 масс Земли), потому что планета меньшей массы не сможет удержать такой легкий газ как водород. Газовыми гигантами является большинство из открытых экзопланет.

 

 

9) Водный гигант - класс экзопланет. Это газовый гигант, вращающийся по земной орбите. Состоит в основном из водорода. Наличие других веществ зависит от содержания тяжелых элементов. Атмосфера может содержать инертные газы, кислород, воду, органические вещества (помимо метана). В атмосфере вероятны облака из водяного льда. Вероятен слой с давлением 1 атм. и комфортной температурой. Под атмосферой находится океан из жидкой воды и/или аммиака и метана и т. п. Под океаном — силикатное ядро. В комфортном слое атмосферы возможна жизнь — там есть вода и органические вещества.

 

10) Горячий нептун — класс экзопланет. К нему относятся экзопланеты с массой около массы Урана или Нептуна, которые расположены близко к своей звезде (на расстоянии меньше 1 а.е.). Масса горячего Нептуна состоит из ядра и окружающей плотной атмосферы, которая занимает большую часть размера планеты.

 

 

11) Горячий юпитер – класс экзопланет. Представители этого класса имеют строение похожее на строение Юпитера (основную массу планеты содержит газ водород или гелий), однако в отличие от этого гиганта находятся очень близко к звезде. Считается, что возле самой звезды недостаточно материала для образования планет.

 

 

12) Холодный Юпитер — класс экзопланет-гигантов с массой около массы Юпитера и находящихся на таком расстоянии от своей звезды, что большую часть тепла планета получает в результате внутренних процессов, а не от звезды, а орбита такой планеты находится на большом расстоянии от звезды. Существование каких-либо землеподобных планет в такой системе, которые бы вращались в пределах орбиты такого юпитера невозможно вследствие мощной гравитации такой планеты, которая притянет все подобные планеты на своём пути. Вокруг самой же планеты могут вращаться многие другие планеты массой поменьше, в том числе и планеты земной группы.

 

 

13) Пульсарные планеты– класс планет, которые обращаются вокруг пульсаров. В 2006 году была найдена первая пульсарная планета с помощью телескопа Спитцер. На сегодняшний день считается, что на пульсарных планетах наличие жизни невозможно из-за значительного электромагнитного потока, идущего от пульсара.

Субкоричневый карлик – это холодный космический объект. Схема его формирования схожа со схемой формирования звезд, однако ученые классифицируют эти формирования как планеты. Масса их равна меньше чем 13 массам Юпитера, о нижнем пороге ученые и сейчас ведут дискуссии.

14) Рыхлые планеты – класс газовых гигантов. Такая планета скорее представляет собой газовое облако, нежели полноценную планету и называется рыхлой планетой.. В настоящий момент известно 3 планеты данного типа и 2 звездные системы.

 

2. Физические переменные, новые и сверхновые звезды

 

 

Переменные звёзды – это звёзды, блеск которых изменяется, иногда с правильной периодичностью. Переменных звёзд на небе довольно много. В настоящее время их известно более 30 000.  Многие из них вполне доступны наблюдению в малые и среднего размера оптические приборы – бинокль зрительную трубу или школьный телескоп.

 

 

 

1) Физическими переменными называются звёзды, которые изменяют свою светимость в результате физических процессов, происходящих в самой звезде. Такие звёзды могут и не иметь постоянную кривую блеска.

Первую пульсирующую переменную открыл в 1596 году Фибрициус в созвездии Кита. Он назвал ее Мирой, что означает «чудесная, удивительная». В максимуме Мира хорошо видна невооружённым глазом, её видимая звёздная величина 2m,  в период  минимума она уменьшается до 10m и видна только в телескоп. Средний период переменности Миры Кита 332 суток.

В 1783 году Эдуард Пиготт обнаружил изменения блеска η Орла с периодом 7,17 дней. В 1784 году Джон Гудрайк открыл переменность звезды δ Цефея (период 5,366 дней).

Все переменные звёзды, в том числе затменно-переменные, имеют специальные обозначения. Впереди названия соответствующего созвездия ставятся буквы латинского алфавита R, S, T, … или просто букву V (англ. variable «переменный») с цифрами.

 

2) Цефеидами называются пульсирующие звёзды высокой светимости, названные так по имени одной из первых открытых переменных звёзд –δ Цефея.

Это жёлтые сверхгиганты спектральных классов F и G, масса которых превосходит массу Солнца в несколько раз.

В ходе эволюции цефеиды приобретают особую структуру. На определённой глубине возникает слой, который аккумулирует энергию, приходящую из ядра звезды, а затем отдает её.

Цефеиды периодически сжимаются, температура цефеид растет, уменьшается радиус. Затем площадь поверхности растет, её температура уменьшается, что вызывает общее изменение блеска.

Цефеиды играют особую роль в астрономии. В 1908 году Генриетта Ливитт, изучая цефеиды в Малом Магеллановом Облаке, заметила, что чем меньше видимая звёздная величина цефеиды, тем больше период изменения её блеска.

 

 

 

3) Звезда, у увеличивающая свой блеск в тысячи и миллионы раз за несколько часов, а затем тускнеющая, приходящая к своему первоначальному блеску, называется новой.

Новая возникает в тесных двойных системах, в которых один из компонентов двойной системы – белый карлик или нейтронная звезда. Когда на поверхности белого карлика (на нейтронной звезде) накапливается критическая масса вещества, происходит термоядерный взрыв, срывающий со звезды оболочку и увеличивающий её светимость в тысячи раз. Этот взрыв может повторяться неоднократно в виде повторной новой. Как показывают наблюдения, ежегодно в нашей Галактике вспыхивает около сотни новых звёзд.

 

 

После потери части вещества светилом расстояние в паре уменьшается, а скорость вращения, наоборот, увеличивается. Как полагают астрономы, дальнейшая эволюция приводит слиянию двух звезд.

По данным ученых, в каждой галактике ежегодно вспыхивает около 30 новых звезд, но большинство из них невозможно увидеть из-за огромных расстояний, а также поглощения света галактической пылью.

Новые звезды – это эруптивные (взрывающиеся) переменные звёзды.

 

 

4) Главное отличие сверхновых звезд от новых — грандиозность вспышки: их яркость в тысячи раз больше. Появление сверхновой звезды — явление очень редкое. В каждой галактике вспышки происходят один раз в 100—300 лет.

Вспышки сверхновых – один из самых мощных катастрофических природных процессов. Огромное выделение энергии (такое количество энергии Солнце вырабатывает за миллиарды лет) сопровождает взрыв сверхновой. Сверхновая звезда может излучать больше, чем все звёзды галактики вместе взятые.

Сверхновыми называются звёзды, внезапно взрывающиеся и достигающие в максимуме абсолютной звёздной величины от –11m до –21m.

 

 

Анимация: Взрыв сверхновой звезды

 

 

Светимость сверхновой звезды возрастает в десятки миллионов раз, что может превышать светимость всей галактики.

 

 

 

5) Пульсары

В 60-х годах XX века совершенно случайно, при наблюдении с радиотелескопом, который был предназначен для изучения мерцаний космических радиоисточников, Джослин Белл, Энтони Хьюиш и другие сотрудники  Кембриджского университета Великобритании обнаружили серии периодических импульсов.

Продолжительность импульсов была 0,3 секунды на частоте 81,5 МГц, которые повторялись через удивительно постоянное время, через 1,3373011 секунды.

Импульсы прерываются на 50 минут  каждые 9 часов, что указывает на то, что пульсар затмевается своей звездой-компаньоном.

 

Это было совершенно непохоже на обычную хаотическую картину случайных нерегулярных мерцаний. Появилось даже предположение о внеземной цивилизации, посылающей на Землю свои сигналы. Поэтому для этих сигналов ввели обозначение LGM (сокращение от английского little green men «маленькие зеленые человечки»).

 

 

Предпринимались серьезные попытки распознать какой-либо код в принимаемых импульсах. Это оказалось невозможным, хотя, как рассказывают, к делу были привлечены самые квалифицированные специалисты по шифровальной технике.

Через полгода обнаружили еще три подобных пульсирующих радиоисточника. Стало очевидным, что источники излучения являются естественными небесными телами. Они получили название пульсары. За открытие и интерпретацию радиоизлучения пульсаров Энтони Хьюишу была присуждена Нобелевская премия по физике.