ЗВЕЗДНЫЙ ПАТРУЛЬ

Космический комплекс для исследования внесолнечных планетных систем,
предлагается для включения в Федеральную космическую программу на 2016-2025 гг

Карта сайта:

Главная
Главная страница сайта

Экзопланеты
Современные сведения, актуальные и значимые наблюдательные задачи

Методы и интструменты
Методы и инструменты обнаружения и исследования экзопланет

Звездный Патруль. Фотометрия
Научные задачи и инструментальные возможности фотометрической части миссии

Звездный Патруль. Прямое наблюдение экзопланет
Научные задачи и инструментальные возможности по прямому наблюдению экзопланет

Звездный Патруль. Солнечная система
Научные задачи дистанционного исследования планет и малых тел Солнечной Системы

Лаборатория 535 (отдел 53 ИКИ РАН): фотометрии и ИК-радиометрии
Состав и основные публикации сотрудников лаборатории

Экзопланеты

Исследование и классификация экзопланет
Наблюдательные задачи исследования экзопланет

Исследование и классификация экзопланет

Исследование экзопланет – это одна из самых актуальных и перспективных тем астрофизики и сравнительной планетологии. С момента открытия первых экзопланет в 90-х годах прошлого века число известных нам внесолнечных планет растет лавинообразно. Скорее всего, эта тенденция сохранится и в дальнейшем, поскольку методы обнаружения экзопланет постоянно совершенствуются. Кроме этого, много экзопланет должно быть открыто как благодаря будущим космическим миссиям (Gaia (ESA), TESS (NASA) и др.), так и по мере обработки данных от действующих космических аппаратов, созданных для поисков экзопланет (COROT (ESA), Kepler (NASA)). К концу 2013 года известно около 900 планет в примерно 700 планетных системах.

Особое место среди экзопланет занимают транзитные планеты. Особенность этих планет заключается в очень малом наклоне плоскости их орбиты к лучу зрения, что приводит к регулярным прохождениям планеты по диску своей родительской звезды (которые, собственно, и называются транзитами). Фотометрические и спектроскопические наблюдения транзитов в сочетании с измерением лучевых скоростей звезды позволяют определить массу планеты, ее радиус, среднюю плотность, а также получить спектры поглощения верхних слоев атмосферы, из чего можно извлечь информацию о ее строении и составе. Более того, в настоящее время проводятся наблюдения т.н. антитранзитов (вторичных минимумов), т.е. прохождений планеты за звездой. Вычитая спектр звезды, полученный во время антитранзита, из спектра, полученного непосредственно перед ним или после него, можно получить спектр дневного полушария планеты. С помощью спектроскопических наблюдений планетных транзитов и антитранзитов было обнаружено наличие атмосферы у некоторых экзопланет, а также выявлены отдельные химические элементы и молекулы, входящие в состав этих атмосфер.

Кроме того, измерение лучевых скоростей звезды непосредственно во время транзита (эффект Мак-Лафлина) позволяет определить угол наклона орбиты планеты к звездному экватору. С помощью этого метода было выявлено, что некоторые экзопланеты находятся на полярных и ретроградных орбитах.

Сравнимое количество информации можно получить только прямым наблюдением планет. Однако сейчас известно 330 транзитных планет, и только 17 планет доступны прямому наблюдению с помощью наземных и космических телескопов.

Стоит отметить, что в число известных экзопланет, приведенное выше, не входит подавляющая часть транзитных кандидатов, открытых космическим телескопом им. Кеплера (количество которых превышает 3.5 тысяч). Это вызвано тем, что существует несколько астрофизических явлений, имитирующих транзитный сигнал и способных привести к ложным открытиям (например, затменно-переменная двойная заднего фона, расположенная на малом угловом расстоянии от целевой звезды, способна дать кривую блеска, не отличимую от кривой блеска звезды с транзитной планетой). По этой причине транзитная планета считается достоверно обнаруженной только после того, как ее существование будет подтверждено одним из независимых методов (методом лучевых скоростей, таймингом транзитов, и т.п.).

Устоявшейся классификации экзопланет по физическим параметрам пока нет. Обычно планеты делят по массе и химическому составу (средней плотности), хотя здесь еще есть много неясного.

Как правило, по своим свойствам планеты делятся на четыре группы: планеты-гиганты, нептуны, сверхземли, земли
  • Планеты-гиганты имеют массу от 0,2 до 13 масс Юпитера. К этому классу принадлежит большинство открытых экзопланет (около 650). Поскольку именно планеты-гиганты были обнаружены первыми, они имеют наиболее долгую историю исследований. Среди них особое место занимают так называемые "транзитные горячие юпитеры" – планеты-гиганты с большой полуосью орбиты, не превышающей 0,1 а.е., и орбитальным периодом короче 10 земных суток, регулярно проходящие по дискам своих звезд. Благодаря сравнительно крупным размерам и значительной массе такие тела, с одной стороны, дают достаточно большую глубину транзита, а с другой – заметно влияют на лучевую скорость своей звезды, что облегчает их изучение. Благодаря этому с помощью уже существующих наземных и космических инструментов можно определить многие физические свойства и химический состав таких экзопланет. Горячие юпитеры особенно интересны тем, что эти планеты не имеют аналогов в Солнечной системе, поэтому некоторые процессы, в которых они принимают участие, оказываются совершенно новыми. Примером такого процесса может служить взаимодействие экзопланеты со звездой, в результате которого активность звезды может менять состояние атмосферы планеты (HD 189733 b), а также гравитационное влияние планеты на скорость осевого вращения звезды (tau Bootis b). Планеты-гиганты, как правило, имеют звездный химический состав, т.е. большая часть их массы приходится на водород и гелий. Средняя плотность таких планет может быть очень низкой (у наиболее «рыхлых» горячих юпитеров она едва превышает 0.15 г/куб.см). Как правило, средняя плотность газовых гигантов растет с увеличением массы планет и у самых тяжелых объектов этого класса (WASP-18 b, XO-3 b) может превышать 10 г/куб.см. Радиусы планет-гигантов лежат в диапазоне 0.6-2 радиусов Юпитера (7-22 радиусов Земли).

  • Планеты типа Нептуна.
    Нептуны отличаются от планет-гигантов как массой, так и своим химическим составом. Массы нептунов меньше масс гигантов, хотя граница между ними достаточно размыта (известны как очень легкие газовые гиганты, например, HAT-P-18 b, так и достаточно массивные нептуны вроде HD 149026 b). В области 0.1-0.25 масс Юпитера диапазоны масс обоих типов планет явно перекрываются. Нептуны, как и ледяные гиганты Солнечной системы Уран и Нептун, состоят большей частью из льдов, количество водорода и гелия в их составе не превышает 15-20% (по массе). Радиусы этих планет лежат в диапазоне 2-6 радиусов Земли (как правило, 3-5 радиусов Земли), средняя плотность близка к средней плотности Урана и Нептуна (1-2 г/куб.см). На данный момент известно около 200 планет этого типа.

  • Суперземли.
    Понимание природы суперземель оказывается пока сильно затруднено отсутствием аналогов таких планет в Солнечной системе. Формально к суперземлям относят планеты с массами 2-10 масс Земли и радиусами 1.25-2 радиуса Земли. Однако здесь, как и в случае границы между планетами-гигантами и нептунами, диапазоны масс планет разных типов широко перекрываются. К суперземлям относится как океанида GJ 1214 b массой 6.2±0.9 масс Земли, радиусом 2.74±0.06 радиусов Земли, с атмосферой из водяного пара, так и загадочная планета Kepler-11 f, которая при массе, едва превышающей 2 массы Земли, имеет радиус 2.43 радиуса Земли и среднюю плотность 0.73±0.3 г/куб.см. Некоторые планеты, формально классифицируемые как суперземли, по своему составу и средней плотности будут неотличимы от небольших нептунов (например, Kepler-11 e), часть будет напоминать массивные планеты земного типа (Kepler-10 b), однако значительная часть не будет похожа ни на первых, ни на вторых. На данный момент открыто 65 планет этого типа.

  • Планеты земного типа.
    Планеты, имеющие радиус меньше 1.25 радиусов Земли, только-только начинают открывать, поэтому сейчас их известно меньше десятка, и все они расположены близко к своим звездам и нагреты до высоких температур. Подобно Земле и Венере, они имеют железокаменный состав, а их атмосферы лишены легких газов (водорода и гелия). Среди планет земного типа наибольший интерес вызывают планеты, расположенные в зоне обитаемости. К сожалению, пока ни одна такая планета не обнаружена (на начало сентября 2013 г). Распределение количества уже открытых планет по типам объясняется, главным образом, эффектом возможности наблюдений. наблюдательной селекции. Поскольку наиболее просто легче всего обнаруживать планеты-гиганты, среди известных экзопланет преобладают именно они. Однако данные, полученные космическим телескопом им. Кеплера, показывают совсем другую картину. Количество транзитных кандидатов Кеплера (с радиусом больше 2 радиусов Земли) обратно пропорционально квадрату их радиуса N ~ 1/R2. Для планет меньших размеров данные Кеплера становятся не полными, и мнения ученых расходятся. По мнению одних исследователей при дальнейшем уменьшении радиуса распределение экзопланет по размерам становится плоским (т.е. количество планет перестает увеличиватся), по мнению других – распределение планет по размерам проходит максимум при радиусе около 1.25 радиусов Земли. Среди транзитных кандидатов Кеплера большая часть относится к классу нептунов. В связи с этим можно ожидать, что при поиске планет транзитным методом или методом непосредственного наблюдения в режиме коронографа распределение планет по размерам будет ближе к результатам Кеплера, чем к распределению уже подтвержденных экзопланет.

Наблюдательные задачи исследования экзопланет

Непосредственное наблюдение внесолнечных планет сильно затруднено как высоким контрастом (т.е. низким отношением блеска планеты к блеску звезды, в оптическом диапазоне достигающим 10-9...10-10), так и малым угловым расстоянием между планетой и звездой. Если в качестве предельного разрешения телескопа использовать дифракционный предел (1.22 lambda/D), то для полутораметрового космического телескопа (D = 1.5 м) и длины волны 400 нм (фиолетовые лучи) предельное угловое разрешение составит 0.067 угловых секунд. Среди подтвержденных экзопланет только 79 в элонгации удаляется от своей звезды на большее угловое расстояние, а значит, доступно непосредственному наблюдению (из них 75 расположено ближе 50 пк).

Для исследования экзопланет можно применять как изображающие так и неизображающие фотометрические и спектроскопические методы. Однако фотометрические методы больше подходят для обнаружения экзопланет, а не для их изучения. Из кривой блеска звезды можно определить орбитальные характеристики транзитной планеты и ее радиус, но ничего нельзя сказать о ее массе и составе атмосферы. Для получения качественно новой информации необходимы спектральные наблюдения, с помощью которых можно решать много различных задач.

Одна из таких задач – исследование состава и свойств атмосфер экзопланет. Для выполнения этой задачи проводят наблюдения транзитов, антитранзитов или, в отдельных случаях, получают прямое изображение экзопланеты в разных спектральных полосах. В этой области есть два основных направления исследований. При наблюдениях транзитов исследуются спектры поглощения атмосферы планеты в области терминатора («на просвет»). При этом, как правило, наблюдения ведутся в ближнем УФ и видимом диапазоне, где расположены контрастные молекулярные и атомарные линии, таким образом, можно оценить относительное содержание элементов в атмосфере планеты. При наблюдении антитранзитов наблюдения ведутся в ИК-диапазоне, так как именно там находится максимум излучения экзопланет и достигается наилучшее отношение блеска планеты к блеску звезды. При этом получают эмиссионный спектр дневного полушария планеты, содержащий молекулярные линии. Подобным образом уже было исследовано несколько горячих юпитеров, в частности HD 209458 b, HD 189733 b.

В исключительно редких случаях грубый спектр экзопланеты удается получить с помощью ее непосредственного наблюдения в нескольких спектральных полосах. Недавним примером таких наблюдений может быть наблюдение планет системы HR 8799. Нужно отметить, что спектры планет в этой системе заметно отличаются как друг от друга, так и от спектров, рассчитанных по существующим моделям газовых гигантов. Это позволяет предположить, что дальнейшее получение прямых спектров экзопланет может вызвать пересмотр существующих представлений об экзопланетах.

Другой интересной задачей, решаемой с использованием современных инструментов, стало изучения магнитного поля планеты посредством наблюдения полярных сияний. Примером решения данной задачи может служить эта работа. В ней авторы проанализировали наблюдения антитранзита планеты HD 209458 b, проведенные с помощью космического телескопа им. Хаббла. Чтобы обнаружить полярные сияния, проводились наблюдения системы HD 209458 в линии водорода в УФ-диапазоне (Лайман-альфа). Однако на кривой блеска звезды не было найдено никаких следов вторичного минимума, из чего авторы сделали вывод об отсутствии у планеты HD 209458 b сильного магнитного поля. Этот результат согласуется с ранее сделанными теоретическими предсказаниями, согласно которым гравитационное воздействие близкой звезды должно приводить к ослаблению магнитного поля горячих юпитеров.

Задача измерения напряженности магнитного поля у экзопланет решается и другим путем, с помощью изучения взаимодействия планеты со своей звездой. В качестве примера можно привести планету WASP-12 b. Наблюдения транзитов, проведенные телескопом «Хаббл» в нескольких спектральных полосах, позволили обнаружить, что в этих полосах транзит планеты начинается несколько раньше, чем в белом свете по данным фотометрических наблюдений. Было высказано предположение, что это явление вызвано наличием у магнитопаузы вещества, которое и вызывает поглощение в исследуемых полосах. Исходя из положения магнитопаузы, авторы сделали оценку напряженности магнитного поля WASP-12 b.

Особый интерес вызывает исследование потери массы планетами, расположенными на тесных (близких к звезде) орбитах. С этой целью на телескопе «Хаббл» были проведены наблюдения транзита горячего юпитера HD 209458 b в линии атомарного водорода Лайма-альфа. На волне 121.6 нм глубина транзита достигала 15±4% (в несколько раз больше, чем глубина транзита планеты в видимом свете). Тем самым была обнаружена обширная оболочка нейтрального водорода, окружающая планету HD 209458 b. Наличие такой оболочки говорит об оттоке вещества с темпом приблизительно 1010 г/с. Позднее аномально высокая глубина транзита была обнаружена также в линиях кислорода, углерода и кремния.

Кроме HD 209458 b, признаки потери массы демонстрирует и горячий юпитер WASP-12 b. Помимо высокого поглощения в линиях, у этой планеты было обнаружено раннее начало транзита (т.е. при наблюдениях в линиях транзит наступал несколько раньше, чем при наблюдениях в видимом свете). Для объяснения этого явления были созданы более сложные модели. Согласно одной из них, раннее начало транзита и высокое поглощение вызвано истечением атмосферы планеты через первую точку Лагранжа L1. При этом истекающее вещество образует аккреционный диск вокруг звезды. В процессе истечения вещество образует струю, которая далее сталкивается с аккреционным диском. Согласно этой модели, именно область столкновения диска и струи вызывает оба наблюдаемых эффекта.

Однако такая картина течения вещества в системе WASP-12 не является общепризнанной. Согласно другой модели, истечению вещества препятствует поток звездного ветра. Вследствие этого атмосфера планеты образует выступ, направленный в сторону звезды и смещенный в направлении орбитального движения планеты. Предполагается, что подобные структуры могут формироваться и у других горячих юпитеров. В частности, явление раннего начала транзита в линиях уже наблюдалось у другого горячего юпитера – HD 189733 b.

Спектральные наблюдения транзитов с помощью космического телескопа позволит внести вклад в понимание процессов, происходящих при истечении атмосфер горячих юпитеров (в том числе гидродинамических структур, возникающих при взаимодействии потоков плазмы и магнитосфер планеты и звезды).
Ссылки:

ИКИ РАН

отдел 53 ИКИ РАН

Совет РАН по космосу - Секция Солнечная система

exoplanet.eu
exoplanets.org
Постоянно обновляемые и наиболее полные интернет-каталоги экзопланет

Литература по экзапланетной тематике
Библиография интернет-каталога exoplanet.eu

Проект "Звездный патруль", 2014
Сайт разработан и поддерживается лабораторией 535 (отдел 53) Института космических исследований Российской академии наук. Полное или частичное использование размещённых на сайте материалов возможно только с обязательной ссылкой на сайт проекта "Звездный патруль"