Самые странные экзопланеты во Вселенной: татуины, горячие юпитеры и хтонические миры
Горячие мирыПринято 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.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.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.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 финалВообще, 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.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 природыПомимо 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.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 полётТакже 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.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.Очень далекоЭто 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.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.