Космічна потвора? Вчені ніколи не знаходили нічого схожого на нашу Сонячну систему
З моменту знакового відкриття у 1992 році двох планет, що обертаються навколо зірки за межами нашої Сонячної системи , тисячі нових світів були додані до швидко зростаючого списку «екзопланет» у галактиці Чумацький Шлях .
Ми багато чого дізналися з цього величезного каталогу чужих світів, що обертаються навколо чужих зірок. Але одна маленька деталь впадає в очі. Ми не знайшли там нічого подібного до нашої власної Сонячної системи.
Це змусило декого зробити висновок, що наша рідна зірка та її потомство можуть бути певним чином виключними – можливо, це єдина планетарна система такого роду.
Загалом, це може означати, що саме життя є винятком; що умови, в яких сформувалася Земля та її шар самовідтворюваної хімії, важко відтворити.
Якщо ви просто дивитеся на цифри, перспективи похмурі. За великим рахунком, найбільш численні екзопланети, які ми ідентифікували на сьогоднішній день, належать до типу, який невідомий як сприятливий для життя: гіганти та субгіганти, газові та, можливо, льодові.
Більшість екзопланет, які ми бачили досі, обертаються навколо своїх зірок дуже близько, практично обіймаючи їх; настільки близько, що їх шипляча температура буде набагато вищою за відомий діапазон придатності для життя.
Цілком можливо, що, продовжуючи пошуки, статистика зрівняється, і ми побачимо більше місць, які нагадують нам наш власний двір. Але проблема набагато складніша, ніж просто дивитися на цифри. Наука про екзопланети обмежена можливостями нашої технології. Більше того, наше враження від справжньої різноманітності чужих світів ризикує бути обмеженим нашою власною уявою.
Те, що насправді є в галактиці Чумацький Шлях і за її межами, може сильно відрізнятися від того, що ми бачимо насправді.
Очікування та як їх зірвати
Наука про екзопланети має історію руйнування очікувань із самого початку.
«Якщо повернутися до того світу, в якому я виріс, коли був дитиною, ми знали лише одну планетарну систему», — сказав науковець-планетолог Джонті Горнер з Університету Південного Квінсленда ScienceAlert у 2022 році.
«І це було таке неявне припущення, а іноді й явне припущення, що всі планетні системи будуть такими. Ви знаєте, у вас будуть кам’янисті планети поблизу зірки, які були досить маленькими, у вас були б газові гіганти, далеко від зірки, які були досить великими. І такими були б планетарні системи».
З цієї причини вченим знадобився деякий час, щоб ідентифікувати екзопланету, що обертається навколо зірки головної послідовності, як наше Сонце. Якщо припустити, що інші сонячні системи схожі на нашу, для спостереження за ознаками важких планет, які тягнуть свої зірки, знадобляться роки, так само, як нашим власним газовим гігантам потрібні роки, щоб завершити орбіту.
Виходячи з таких тривалих періодів одного вимірювання, здавалося, що не варто витрачати зусилля на перегляд відносно короткої історії спостережень за багатьма зірками, щоб остаточно відсіяти схожу сонячну систему головної послідовності.
Коли вони нарешті подивилися, екзопланета, яку вони знайшли, зовсім не схожа на те, на що вони очікували: газовий гігант, менший за половину (і вдвічі більший) за Юпітер , обертається так близько від своєї головної зірки, його рік дорівнює 4,2 дня, а його атмосфера палає. при температурах близько 1000 градусів за Цельсієм (1800 градусів за Фаренгейтом).
Відтоді ми зрозуміли, що ці планети типу «гарячого Юпітера» зовсім не дивина. У всякому разі, вони здаються відносно поширеними.
Тепер ми знаємо, що в галактиці набагато більше різноманітності, ніж те, що ми бачимо в нашій рідній системі. Однак важливо не вважати, що те, що ми зараз можемо виявити, — це все, що може запропонувати Чумацький Шлях. Якщо там є щось схоже на нашу власну Сонячну систему, можливо, це за межами наших можливостей виявлення.
«Такі речі, як Сонячна система, нам дуже важко знайти, зараз вони трохи випереджають нас технологічно», — сказав Хорнер.
«Планети земної групи навряд чи можна було б виділити в будь-якому з досліджень, які ми проводили досі. Ви навряд чи зможете знайти Меркурій , Венеру , Землю та Марс навколо такої зірки, як Сонце».
Як знайти планету
Давайте будемо абсолютно ясними: методи, які ми використовуємо для виявлення екзопланет, неймовірно розумні. Наразі існує два, які є робочими конячками інструментарію для виявлення екзопланет: метод транзиту та метод радіальної швидкості.
В обох випадках вам потрібен телескоп, чутливий до найменших змін у світлі зірки. Однак сигнали, які шукає кожен, не можуть бути більш різними.
Для транзитного методу вам знадобиться телескоп, який може утримувати зірку в полі зору протягом тривалого періоду часу. Ось чому такі інструменти, як космічний супутник NASA Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS), є такою потужною, здатною закріплюватися на сегменті неба протягом понад 27 днів , не перериваючись обертанням Землі.
Ціль таких телескопів — помітити сигнал транзиту — коли екзопланета проходить між нами та зіркою-господарем, як крихітна хмара, що закриває кілька сонячних променів.
Ці провали в світлі крихітні, як ви можете собі уявити. І одного проблиску недостатньо, щоб впевнено зробити висновок про наявність екзопланети; Є багато речей, які можуть приглушити світло зірки, багато з яких є одноразовими подіями. Золотим стандартом є кілька транзитів, особливо тих, які демонструють регулярну періодичність.
Таким чином, більшим екзопланетам, які мають короткі орбітальні періоди, ближче до своїх зірок, ніж Меркурій до Сонця (деякі набагато, набагато ближче, на орбітах менше одного земного тижня), у даних віддають перевагу.
Метод радіальної швидкості виявляє коливання зірки, спричинене гравітаційним тяжінням екзопланети, коли вона обертається на своїй орбіті. Планетна система, бачте, насправді не обертається навколо зірки, а танцює в скоординованій перетасуванні. Зірка та планети обертаються навколо спільного центру тяжіння, відомого як барицентр.
Для Сонячної системи це точка дуже, дуже близько до поверхні Сонця або просто поза нею, насамперед через вплив Юпітера , маса якого більш ніж удвічі перевищує масу всіх решти планет разом узятих.
На відміну від транзитної події «блимаєш і ти пропускаєш це», зміщення положення зірки є постійною зміною, яка не потребує постійного моніторингу, щоб помітити. Ми можемо виявити рух далеких зірок, що обертаються навколо своїх барицентрів, тому що цей рух змінює їхнє світло через ефект Доплера.
Коли зірка рухається до нас, хвилі світла, що йдуть у наш бік, злегка хлюпаються до синього кінця спектра; коли він віддаляється, хвилі тягнуться до червонішого кінця. Регулярне «коливання» у світлі зірки свідчить про наявність орбітального компаньйона.
Знову ж таки, дані схиляються до більших планет, які справляють сильніший гравітаційний вплив на коротші, ближчі орбіти до своєї зірки.
Крім цих двох відомих методів, іноді можна безпосередньо зобразити екзопланету, коли вона обертається навколо своєї зірки. Хоча це надзвичайно важко зробити, це може стати більш поширеним в епоху JWST .
За словами астронома Деніела Бейліса з Університету Уоріка у Великій Британії, цей підхід відкрив би майже протилежний клас екзопланет до різновиду короткоорбітальних .
Щоб побачити екзопланету, не затопивши її сяйвом батьківської зірки, два тіла повинні мати дуже широку відстань. Це означає, що підхід прямого зображення надає перевагу планетам на відносно довгих орбітах.
Однак за допомогою цього методу більші екзопланети легше виявити зі зрозумілих причин.
«Кожен із методів відкриття має свої упередження», — пояснив Бейлісс.
Земля з річною петлею навколо Сонця знаходиться між екстремумами орбіти, яким сприяють різні методи виявлення, додав він, тому «знайти планети з однорічною орбітою все ще дуже, дуже важко».
Що там?
Безумовно, найчисленніша група екзопланет — це клас, який навіть не представлений у Сонячній системі. Це міні-Нептун – екзопланети з газовою оболонкою, які менші за Нептун і більші за Землю за розміром.
Більшість підтверджених екзопланет знаходяться на набагато коротших орбітах, ніж Земля; фактично більше половини мають орбіти менше 20 днів.
Більшість екзопланет, які ми знайшли, обертаються навколо одиноких зірок, схожих на наше Сонце. Менше 10 відсотків знаходяться в багатозіркових системах. Тим не менш, більшість зірок у Чумацькому Шляху є членами багатозіркових систем, за оцінками, до 80 відсотків спостерігаються в партнерстві, що обертається принаймні ще однією зіркою.
Але подумайте про це на мить. Чи означає це, що екзопланети частіше зустрічаються навколо окремих зірок – чи що екзопланети важче виявити навколо кількох зірок?
Наявність більш ніж одного джерела світла може спотворювати або затемнювати дуже схожі (але набагато менші) сигнали, які ми намагаємося виявити від екзопланет, але також можна вважати, що багатозіркові системи певним чином ускладнюють формування планет.
І це знову повертає нас додому, до нашої Сонячної системи. Яким би дивним не здавався дім у контексті всього, що ми знайшли, це взагалі не рідкість.
«Я вважаю, що справедливо буде сказати, що насправді в нашій Сонячній системі відсутні деякі дуже поширені типи планет», — сказав Бейлісс.
«Суперземлі, які трохи схожі на Землю, але мають подвійний радіус, у нас немає нічого подібного. У нас немає цих міні-Нептунів. Тому я вважаю, що справедливо сказати, що є деякі дуже поширені планети, яких ми не бачимо в нашій Сонячній системі.
«Незалежно від того, робить це нашу Сонячну систему рідкісною чи ні, я не буду заходити так далеко. Тому що може існувати багато інших зірок, які мають набір планет типу Сонячної системи, яких ми ще не бачимо. .”
На порозі відкриття
Перші екзопланети були відкриті лише 32 роки тому на орбіті пульсара , зірки, абсолютно не схожої на нашу. Відтоді технологія вдосконалювалася поза увагою. Тепер, коли вчені знають, на що шукати, вони можуть винаходити все кращі способи пошуку їх навколо більшої різноманітності зірок.
І з розвитком технологій зростатиме й наша здатність знаходити все менші й менші світи.
Це означає, що наука про екзопланети може бути на межі відкриття тисяч світів, прихованих від нашого теперішнього погляду. Як зазначає Горнер, в астрономії дрібниць значно більше, ніж великих.
Червоні карликові зірки є прекрасним прикладом. Це найпоширеніший тип зірок у Чумацькому Шляху, і вони крихітні, приблизно вдвічі менші за масу Сонця. Вони настільки малі та тьмяні, що ми не можемо побачити їх неозброєним оком, але вони складають до 75 відсотків усіх зірок у галактиці.
Зараз, коли мова заходить про статистичне розуміння екзопланет, ми оперуємо неповною інформацією, тому що є типи світів, які ми просто не можемо побачити.
Це неодмінно зміниться.
«У мене просто таке неприємне відчуття, що якщо ви повернетеся через 20 років, ви подивитеся на ті заяви про те, що міні-Нептуни є найпоширенішим типом планет, з приблизно таким же скептицизмом, як ви озирнулися б на заяви з початку 1990-х років, які стверджували, що поряд зі зіркою будуть лише кам’янисті планети», – сказав Горнер ScienceAlert.
«Тепер цілком можна довести, що я помиляюся. Ось як працює наука. Але я думаю, що коли ми дійдемо до того, що зможемо виявити речі розміром із Землю та менші, ми побачимо, що є більше речей, які вони розміром із Землю і менші, ніж інші речі розміром із Нептун».
І, можливо, ми виявимо, що наша дивна маленька планетарна система, з усіма її примхами та чудесами, не така вже й самотня у космосі.
