Самые странные экзопланеты во Вселенной: татуины, горячие юпитеры и хтонические миры

28 июня 15:00

11 минут на чтение

Планеты у других звёзд, то есть экзопланеты, астрономы научились находить с 1995 года. До того преобладали две точки зрения. Первая — что Солнечная система уникальна и экзопланет в галактике очень мало. Вторая — что экзопланет много, но они похожи на объекты, известные нам по наблюдениям за Солнечной системой. Однако первые же открытия в этой сфере шокировали учёных. На самом деле Вселенная приготовила нам массу сюрпризов, и реальные экзопланетные системы настолько необычны и разнообразны, что по сравнению с ними выглядит жалкой любая гипотетическая модель, порождённая наукой или фантастикой.

Читайте также

Экзопланеты, похожие на Землю, и где их найти

Антон Первушин

23.02.2017

8856

За последний год учёные открыли множество землеподобных планет у других звёзд и даже поймали сигнал из космоса. Кто знает, может, мы близки и к открытию жизни?

Горячие миры

Закат на гипотетическом спутнике гипотетической экзопланеты в тройной звёздной системе HD 188753

NASA / JPL-Caltech

Принято считать, что первую экзопланету открыли в 1995 году швейцарские астрономы Мишель Майор и Дидье Кело из Женевского университета — и получили за это Нобелевскую премию по физике в 2019-м. Однако так говорить не совсем верно. Если отбросить более ранние, не подтвердившиеся позже заявления об обнаружении экзопланет, то славы первооткрывателя на самом деле заслуживает польский радиоастроном Александр Вольщан.

Работая в 1991 году в обсерватории Аресибо, он заметил аномалию в излучении пульсара PSR 1257+12, находящегося на расстоянии 2300 световых лет от нас в созвездии Девы. Частота прихода импульсов оттуда периодически менялась, и напрашивалось единственное объяснение: вокруг пульсара вращается некое тело, влияющее на характер излучения. Открытие Вольщана подтвердилось благодаря независимым наблюдениям канадского астронома Дейла Фрейла. В следующем году Вольщан и Фрейл опубликовали совместную работу, где утверждалось, что рядом с PSR 1257+12 находятся как минимум две планеты с массой в четыре раза больше земной. Позже была обнаружена ещё одна планета.

Почему же открытие польского астронома прошло незамеченным, а Нобелевскую премию получили швейцарцы? Дело в том, что Вольщан открыл «неправильные» планеты. Пульсары образуются в результате взрыва сверхновой, разрушающего планетную систему: все тела в ней либо испаряются, либо выбрасываются в межзвёздное пространство. Следовательно, планеты, замеченные Вольщаном, сформировались относительно недавно (около 800 миллионов лет назад) из вещества погибшей звезды-компаньона, сопоставимой по размерам и находившейся достаточно близко. Таким образом, возникновение планетной системы у PSR 1257+12 — не типичное, а чрезвычайно редкое событие, которое ничего не говорит о распространённости экзопланет во Вселенной.

Планетная система у пульсара PSR 1257+12 в представлении художника. Планеты получили названия Драугр, Полтергейст и Фобетор

NASA / JPL-Caltech / R. Hurt (SSC)

Кроме того, открытие поляка было, по сути, результатом счастливой случайности, а его швейцарские коллеги целенаправленно искали экзопланеты проверенным методом — измеряя доплеровские отклонения в лучевой скорости звезды. Этот метод заключается в следующем. Когда звезда приближается к нам, её спектр смещается в синюю область, а когда удаляется — в красную. Если повысить приборную точность, то станут заметны смещения, связанные с движением звезды относительно не только Земли, но и общего центра масс (барицентра) её собственной планетной системы.

Мишель Майор и его ассистент Дидье Кело работали с телескопом обсерватории Верхнего Прованса на юге Франции. Они провели 12 измерений лучевой скорости солнцеподобной звезды 51 Пегаса (Гельветиос). Изменения в её спектре указывали на то, что у звезды есть спутник, но попытки рассчитать его физические характеристики наталкивали на абсурдный вывод: предполагаемая экзопланета — гигант. В Солнечной системе подобные планеты находятся на дальних орбитах, а обнаруженное небесное тело было в 20 раз ближе к своей звезде, чем Земля к Солнцу! Это перечёркивало устоявшиеся теоретические представления астрофизиков о том, как формируется планетное окружение звёзд.

Майор решил перепроверить результаты и провёл новую серий наблюдений в июне 1995 года. Хотя всё подтвердилось, инерция мышления оказалась велика: вскоре его коллеги выдвинули гипотезу, что на самом деле аномалия в лучевой скорости 51 Пегаса вызвана не влиянием планет, а пульсацией её собственной оболочки. При проверке моделированием выяснилось, что в случае пульсаций менялась бы форма спектральных линий, а этого не наблюдается. Существование экзопланеты, получившей название Димидий, было блестяще подтверждено.

Экзопланета Димидий у 51 Пегаса (раньше её неофициально назвали Беллерофонт)

ESO / M. Kornmesser / Nick Risinger / [CC BY 4.0]

Открытие швейцарцев позволило ввести новый класс планет-гигантов, находящихся поблизости от своих светил, — горячие юпитеры, или пегасиды. Понятно, что на заре экзопланетной астрономии именно эти тела было легче всего обнаружить, а потому проявился эффект приборной селекции. Сейчас подтверждено существование более 5000 экзопланет, из них почти треть — горячие юпитеры. Возникло даже предположение, что системы с таким телом представляют собой правило, а не исключение.

Но тогда возникает вопрос: как они могли сформироваться? Есть несколько гипотез на этот счёт. Согласно гипотезе миграции, горячий юпитер формируется на дальней границе системы, при этом из-за столкновения с другим массивным телом или из-за гравитационного воздействия соседней звезды он имеет сильно вытянутую, нестабильную орбиту. Однако благодаря гравитации центрального светила орбита планеты стабилизируется и становится круговой, а её радиус уменьшается. Возможен также вариант торможения горячего юпитера в плотном протопланетном диске с «падением» в сторону светила.

Гипотеза in situ (лат. «на месте») утверждает, что горячие юпитеры сформировались именно там, где находятся сегодня, и имеют в основе крупные и плотные ядра. Хотя теоретически такое возможно, большинство учёных ставят эту гипотезу под сомнение, поскольку она противоречит сложившимся представлениям об эволюции материала протопланетных дисков.

Художественное изображение горячей экстрасолнечной планеты XO-1 b

P. McCullough (STScI)

Одно время считалось, что при миграции к центральному светилу горячие юпитеры разрушают все молодые планеты на орбитах, находящихся недалеко от звезды, поэтому открытие землеподобных миров рядом с ними добавляло убедительности гипотезе in situ. В качестве самого необычного примера можно привести систему жёлтого карлика WASP-47: он находится на расстоянии 870 световых лет от нас в созвездии Водолея и очень похож на Солнце. В 2012 году международная группа учёных, которая ищет экзопланеты с помощью фотометрической регистрации периодических изменений в яркости звёзд, обнаружила у WASP-47 типичный горячий юпитер. Его масса в 363 раза превышала земную, и он делал оборот вокруг светила за четверо земных суток. Однако позднее в системе были выявлены ещё три объекта: гигант массой 399 земных с периодом обращения 589 суток, каменный мир массой 13 земных и периодом 9 суток и спутник первой планеты массой почти 7 земных.

С точки зрения гипотезы миграции такая система попросту невозможна, однако моделирование показало, что если бы гигант мигрировал на ранней стадии эволюции протопланетного диска, то он бы не вобрал в себя всё окружающее вещество, и остатков как раз хватило бы, чтобы образовались планеты меньших размеров.

Хтонический финал

По поверхности экзопланеты CoRoT-7 b, вероятно, растекаются океаны лавы. Согласно моделированию, она могла образоваться из горячего юпитера

ESO / L. Calçada / [CC BY 4.0]

Вообще, горячие юпитеры очень необычны сами по себе. Прежде всего, масса некоторых из них настолько велика, что на их поверхности может начаться синтез дейтерия — термоядерная реакция, превращающая планету в субзвезду, коричневый карлик.

По всей видимости, вращение горячих юпитеров вокруг своей оси синхронизировано с вращением вокруг звезды, то есть планеты всегда повёрнуты к светилу одной стороной — за счёт мощных приливных сил. Из-за разницы температур освещённого и теневого полушарий, достигающей почти 230 °C, в атмосфере горячих юпитеров должен бушевать невообразимый шторм с переносом тепла в холодную зону. Однако плотность самой атмосферы невелика, а потому подобные планеты иногда называют «пухлыми». Вероятно, это связано с малым расстоянием до светила — из-за его интенсивного излучения атмосфера «раздувается», отчего видимый радиус планеты становится больше.

Считается, что со временем горячие юпитеры под непрерывным воздействием потоков солнечного ветра теряют газовую оболочку, и в результате от планеты остаётся каменистое или металлическое ядро — его решили отнести к классу хтонических экзопланет. Пока что существование таких миров не доказано, но есть подходящие кандидаты эту роль: например, у CoRoT-7 в созвездии Единорога, находящейся в 489 световых годах от нас, обнаружена планета в 6 раз тяжелее Земли и с периодом обращения 20 часов. Некоторые исследователи считают, что это, скорее всего, ядро планеты-гиганта, но другие оспаривают такое мнение, указывая, что её звезде всего лишь около 2 миллиардов лет и газовую оболочку просто не успело бы «сдуть». Другой кандидат на роль хтонической экзопланеты находится у звезды TOI-849 в 734 световых годах от нас: он в 40 раз тяжелее Земли и имеет период обращения 18 часов. Возраст его звезды оценивается в 7 миллиардов лет — этого времени должно было хватить, чтобы экзопланета растеряла всю атмосферу.

Транзит планеты Осирис в системе звезды HD 209458. Это горячий юпитер, теряющий газовую оболочку прямо на наших глазах — отсюда тянущийся за планетой яркий «хвост»

ESA, Alfred Vidal-Madjar, NASA / [CC BY 4.0]

Есть горячие юпитеры, которые теряют газовую оболочку прямо на наших глазах. Самая известная среди них — экзопланета Осирис, открытая в ноябре 1999 года и вращающаяся вокруг звезды HD 209458 (она находится на расстоянии 159 световых лет от нас) в созвездии Пегаса. По массе она меньше Юпитера, но всё равно принадлежит к классу гигантов, а продолжительность года на ней составляет 3,5 земных суток. Средняя температура на поверхности Осириса колеблется в районе 1000 °С, а газовая оболочка планеты активно испаряется под воздействием солнечного ветра, образуя хвост длиной 200 000 километров. Благодаря этому учёные могут проводить спектроскопические наблюдения атмосферы экзопланеты и таким образом определять наличие в ней тех или иных химических элементов и даже составлять карты облачного покрова.

Причуды природы

Помимо горячих юпитеров, астрономы выделяют ещё несколько классов экзопланет, каждый из которых имеет специфические свойства. Существуют холодные и горячие нептуны, супервенеры, суперземли, мегаземли, гикеаны, бланеты, протопланеты, планеты-сироты и т. д.

Открытие некоторых из них заставило учёных пересмотреть многие теории, господствовавшие в астрономии ранее. Например, существование планет в системах двойных звёзд считалось сомнительным. Однако сегодня зарегистрированы уже 11 таких экзопланет — их часто называют татуинами в честь похожего мира из культовой саги «Звёздные войны». Первая из них, Kepler-16b, была обнаружена в сентябре 2011 года с помощью космического телескопа «Кеплер». Она находится в созвездии Лебедя на расстоянии 245 световых лет от нас. Экзопланета вращается по круговой орбите с периодом 229 земных суток вокруг тесной пары небольших молодых звёзд. Сам татуин — газовый гигант с массой Сатурна — находится на внешней границе обитаемой зоны системы, поэтому теоретически на его спутниках, если таковые есть, возможна жизнь.

Планета класса татуин, вращающаяся вокруг двух молодых звёзд

NASA / JPL-Caltech

Kepler-16b — наиболее изученный на сегодня татуин. Одна лишь вещь озадачила астрономов, которые моделировали процесс его эволюции. Чтобы орбита планеты оставалась стабильной на протяжении 2 миллиардов лет (таков оцениваемый возраст системы), её радиус должен быть как минимум в семь раз больше расстояния, разделяющего звёзды в паре; однако радиус орбиты вдвое меньше этого расстояния. А если бы этот татуин мигрировал откуда-то издалека, то его орбита была бы сильно вытянутой, в то время как она круговая. Несмотря на все усилия теоретиков, тайна эволюции первого татуина пока не раскрыта.

Несколько раз учёные заявляли, что им удалось обнаружить экзопланету в системе из трёх звёзд, но через некоторое время выяснялось, что это ошибка. В сентябре 2020 года астрономы из Европейской южной обсерватории сообщили, что после 11 лет наблюдений получили прямые доказательства существования мощного протопланетного диска в тройной звёздной системе GW Orionis в созвездии Орион. Он разделён на три кольца, расположенных в 46, 188 и 338 астрономических единицах от центра, причём кольца наклонены относительно друг друга. Учёные не понимали, как могла сформироваться такая странная система, однако через год им удалось зафиксировать присутствие в ней молодой планеты-гиганта: она вращается вокруг трёх звёзд сразу и собирает материал протопланетного диска. Возможно, там есть и другие экзопланеты, которые своей гравитацией придали кольцам столь специфическую форму.

Свободный полёт

Планеты-сироты были выброшены из системы, в которой сформировались, или никогда не оказывались гравитационно связанными с какой-либо звездой

NASA / JPL-Caltech

Также большой интерес представляют так называемые планеты-сироты — межзвёздные объекты планетарной массы, не имеющие светила. Согласно моделированию учёных, только в нашей галактике может быть до триллиона таких вот «сирот».

Считалось, что выявить такую экзопланету очень трудно, если вообще реально. Но в 2004 году команда исследователей под руководством Кевина Лумана из Университета штата Пенсильвания, обработав данные космических телескопов, заявила, что нашла кандидата на роль планеты-сироты. Это был странный объект в созвездии Хамелеона, имеющий массу в восемь раз большую, чем Юпитер, и окружённый чем-то вроде протопланетного диска или группы спутников. Объект получил обозначение Cha 110913–773444. Впрочем, Луман не решился назвать находку экзопланетой и отнёс её к субкоричневым карликам. Споры о том, как следует классифицировать этот объект, продолжаются по сей день.

В ноябре 2012 года Филипп Делорм и его сотрудники из Института планетологии и астрофизики Гренобля во Франции сообщили, что обнаружили в созвездии Водолея объект CFBD-SIR J214947.2–040308.9 с температурой поверхности около 500 °С и массой до 12 юпитерианских. Спектроскопические наблюдения подтвердили, что у него есть атмосфера, где присутствуют метан и вода. Хотя параметры позволяют отнести объект к гипотетическим «сиротам», Делорм не поспешил этого сделать: согласно наблюдениям, он мог быть гравитационно привязан к группе звёзд AB Золотой Рыбы.

Гипотетическая планета-сирота CFBDSIR 2149-0403. Впрочем, она может быть частью движущейся группы звёзд AB Золотой Рыбы

ESO / L. Calçada / P. Delorme / R. Saito / VVV Consortium / [CC BY 4.0]

В 2013 году команда Майкла Лю из Института астрономии Гавайского университета обнаружила в движущейся группе звёзд Бета Живописца объект PSO J318.5–22 с массой в 6,5 раза больше юпитерианской и с температурой поверхности около 1000 °С. При этом он окружён облаком из раскалённой пыли и расплавленного железа. Предполагается, что объект сформировался 12 миллионов лет назад — в масштабах Вселенной буквально вчера.

Лю заявил, что это тело обладает всеми признаками юных экзопланет, обнаруженных у некоторых звёзд, но летит через космос в совершенном одиночестве. Перед нами практически идеальный кандидат на статус планеты-сироты.

Читайте также

Космические изгои. Что такое планеты-сироты и откуда они берутся

Кирилл Размыслович

01.03.2025

3780

Вечные скитальцы межзвёздной пустоты

Очень далеко

Сравнение размеров SWEEPS-04 с Юпитером

Aldaron [CC BY-SA 3.0]

Это кажется невероятным, но современные астрофизические методы позволяют находить экзопланеты даже в других галактиках! Из-за огромных расстояний их нереально обнаружить напрямую, но с использованием косвенных данных возможно установить их существование.

Самыми дальними объектами, обнаруженными благодаря регистрации периодических изменений в яркости звёзд, стали два горячих юпитера — SWEEPS-04 и SWEEPS-11 в созвездии Стрельца. Они находятся на расстоянии 27 710 световых лет от нас — дальше современные наблюдательные инструменты пока заглянуть не позволяют.

Впрочем, исследователи научились использовать эффект гравитационного линзирования, при котором массивное тело искажает и тем самым усиливает излучение более далёкого объекта. К сожалению, линзирование, происходящее под влиянием экзопланет, — событие однократное, ведь они движутся по орбитам вокруг своих светил, которые тоже смещаются относительно Земли.

Двойной квазар QSO 0957+561 A/B, запечатлённый телескопом «Хаббл»

ESA / Hubble & NASA

Первое такое событие было зарегистрировано в 1996 году американским астрофизиком Рудольфом Шильдом при наблюдении двойного квазара QSO 0957+561 A/B. Его свет линзируется эллиптической галактикой YGKOW G1, которая находится почти в 4 миллиардах световых лет от нас. Группа Шильда обнаружила аномальную флуктуацию в кривой блеска на одном из полученных изображений и предположила, что она вызвана планетой массой в три земных, расположенной в этой отдалённой галактике.

В 1999 году похожее событие было зафиксировано в направлении ближайшей к нам галактики Андромеды. Одна из её звёзд линзировала находящегося за ней красного гиганта, и аномалия указывала на присутствие экзопланеты массой в шесть юпитерианских.

Позднее учёные зарегистрировали ещё два похожих события. Так что с большой долей уверенности можно сказать, что наша галактика не уникальна и экзопланеты есть во всех частях Вселенной — как минимум в тех, где горят звёзды.

Наука позволила учёным открыть уже тысячи миров в нашей галактике и ещё несколько — за её пределами. И в ближайшем будущем обнаружатся ещё тысячи или даже десятки тысяч. Пока что мы мало что можем о них сказать, ведь нас с ними разделяют бездны пространства. И всё же мы узнали главное: планеты Солнечной системы не уникальны, и существуют похожие и даже более причудливые миры. Собирая знания о них, мы можем по-новому взглянуть на собственный и осознать его место во Вселенной. И это место далеко не последнее: не будь нас, кто бы на Земле размышлял о далёких планетах?..

Читайте также

Насколько реалистичны планеты из фантастических фильмов?

Кирилл Размыслович

24.09.2021

40565

Планета, где за час проходит семь лет? Лавовая планета? Крематория, сгорающая раз в сутки? Чего только не выдумают фантасты! Но вселенная полна сюрпризов — в ней и не такое бывает!

Читайте также

Терраформирование планет: возможны ли яблони на Марсе, города на Венере и лунные колонии

Антон Первушин

28.09.2024

4403

Как обустроить дом в сотнях световых лет от дома

Если вы нашли опечатку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Антон Первушин

Писатель-фантаст, популяризатор науки, член Союза писателей Санкт-Петербурга, Федерации космонавтики России, Санкт-Петербургского Союза ученых, Клуба научных журналистов, Ассоциации футурологов