Как ищут планеты?

Рассуждая о полетах к другим звездам, следует понимать, что, собственно, к звездам нам не надо — нам надо к другим планетам, желательно, землеподобным и пригодным для жизни. А как узнать, есть ли у соседних звезд планеты? Казалось бы все просто: возьми телескоп побольше, да посмотри. Если далекие галактики можем рассмотреть, то уж у близких звезд должны увидеть и планеты, и спутники. Но есть “небольшая” сложность: в отличие от звезд и галактик, планеты практически не светятся сами, а только отражают свет своих звезд.
Звезда засвечивает свои окрестности, поэтому, несмотря на развитие астрономической техники в ХХ веке, первую экзопланету — планету у другой звезды — нашли меньше тридцати лет назад.
Сегодня для поиска экзопланет разработано и освоено несколько методов.
-— Прямое наблюдение
Достаточно большой телескоп сможет рассмотреть достаточно большую и удаленную от своей звезды планету. Но для этого приходится постараться и воспользоваться специальным оборудованием. Чтобы избавиться от яркого света звезды, для поиска планет используют коронограф — непрозрачный диск в оптической схеме телескопа, который позволяет перекрывать свет яркого источника. В сочетании с адаптивной оптикой эта система позволяет рассматривать крупные и удаленные планеты у соседних звезд. Лучше всего получается находить “молодые Юпитеры” в инфракрасном диапазоне, т.к. у них сохраняется высокое тепловое излучение со времени формирования.
Несколько коронографов установили на 8-метровых телескопах обсерватории Gemini и VLT, которые обеспечивают высокое разрешение. На сегодняшний день ученым уже удалось разглядеть несколько инопланетных систем. Иногда система оказывается настолько молода, что планет еще не видно, зато хорошо различим протопланетный диск, как например у HR 4796, на расстоянии 230 св. лет от нас.
-— Транзитный метод
Этот косвенный метод позволяет определить число планет, их размеры, орбитальный период и параметры орбиты. В некоторых случаях удается даже получить грубые представления о составе атмосферы. В настоящий момент этот метод рекордсмен по количеству обнаруженных планет, прежде всего потому, что позволяет телескопам работать по площадям, а не концентрировать внимание на одной цели.
Принцип работы транзитного метода — фотометрия. Во время наблюдения регистрируется интенсивность свечения звезды. Если между нами и звездой проходит планета, то яркость звезды падает, и этот момент регистрируется на графике яркости.
Если провалы яркости происходят регулярно, и всегда равны, то можно предполагать, что такое воздействие вызывается планетой.
Колебания яркости звезды может вызывать не только планета, это могут быть внутренние циклы или звезда-компаньон. Поэтому транзитный метод требует подтверждения независимым методом. Сейчас известно несколько тысяч транзитных кандидатов, которые постепенно подтверждают или опровергают.
--— Метод радиальных скоростей (по допплеровскому сдвигу)
Надеюсь все знают, что такое радуга, и как она образуется. Радуга — это спектр Солнца, полученный естественным путем. В спектре излучения сокрыт химический состав звезды, поскольку каждый химический элемент, будучи нагретым, светится своим цветом.
Свечение регистрируется спектрометром, и определяя различные линии спектра, удается определять состав излучающего объекта. Если свет проходит через атмосферу планеты или отражается от поверхности, то часть света поглощается, и в спектре образуются провалы, указывающие на химические элементы, поглотившие свет.
Еще одно физическое явление, необходимое для понимания метода радиальных скоростей — это красное и синее смещение.
Когда изучаемая звезда удаляется от нас, длина волны испускаемого света растягивается, из-за чего весь спектр сдвигается в красную сторону. Если элемент удаляется и излучает красный свет, то мы его регистрируем уже в инфракрасном диапазоне, если зеленый, то в желтом, если синий, то в зеленом, и т.д.
Синее смещение — это обратный процесс. Если звезда несется к нам навстречу, то ее спектр "синеет" — сдвигается в синюю и ультра-фиолетовую сторону.
Как это связано с наличием планет у далеких звезд? Терпение. Нужно учесть еще одно свойство — движение двух тел у одного центра масс.
Все мы знаем, что Земля вращается вокруг Солнца. Это как бы верно, но не совсем. На самом деле Солнце и Земля вращаются вокруг одного центра масс, который не соответствует центру Солнца. Такой эффект есть и у Земли с Луной, а у Плутона с Хароном центр масс находится за пределами Плутона, поэтому они оба вращаются вокруг условной точки между ними.
Разумеется, ничтожно малая масса Земли приводит к совершенно незначительному колебанию Солнца — в пределах 50 км, а вот Юпитер уже неслабо колбасит Солнце, вынуждая его отклоняться на 750 тыс км. Т.е. Юпитер и Солнце так же как и Плутон с Хароном вращаются вокруг точки в пространстве.
А теперь сводим все к одному методу поиска: экзопланета, вращаясь, вокруг своей звезды, вынуждает ее вращаться с отклонением от своего центра масс. Соответственно, относительно внешнего наблюдателя, звезда будет то отдаляться, то приближаться, что будет приводить то к красному, то к синему смещению спектра. Мы можем взять достаточно чувствительный спектрометр, и сможем увидеть как периодически краснеет и синеет спектр звезды, в полном соответствии с орбитальной динамикой планеты.
-— Изменение орбитальной фазы отраженного света
Метод похож на транзитный, только регистрирует не падение яркости, а увеличение. Эффект возникает, когда планета у звезды находится в фазе четверти, и часть падающего света отражает в нашу сторону. Это как блеск вечерней/утренней Венеры плюсуется к яркости Солнца. Эффект зависит от размеров экзопланеты, близости ее к звезде, и яркости отраженного света. Метод грубый, зато не требует нахождения орбиты планеты на линии нашего взгляда.
-— Астрометрический метод
Похож на метод по допплеровскому сдвигу, требует длительных наблюдений, но не требует спектрометров. В ходе наблюдения положение звезды тщательно регистрируется относительно соседних объектов, и если наблюдаются волнообразные отклонения, то это указывает на достаточно массивного компаньона, вынуждающего звезду вращаться вокруг общего центра масс. Понятно, что звезда должна быть небольшой, а ее планета массивной, поэтому так чаще можно находить двойные звезды и коричневые карлики-компаньоны.
Уникальные астрометрические данные за десятилетия наблюдений накоплены в Пулковской обсерватории под Санкт-Петербургом. Сейчас обсерватория переживает нелегкие времена из-за строительных работ.
Источник: geektimes.ru