Nasz Układ Słoneczny to tylko mały wycinekstale rozszerzający się wszechświat<
Wiele z tych nowych planet bardzo się od nich różnite, które krążą wokół naszego Słońca, a nawet architektura układów egzoplanetarnych w niewielkim stopniu przypomina naszą. W miarę upływu czasu w niektórych z tych odległych światów znaleziono ogromną ilość informacji. Jeszcze bardziej niezwykłe jest to, jak szybko rozwinęła się dziedzina badań egzoplanetarnych w stosunkowo krótkim czasie.
Egzoplanety - czym one są?
Egzoplaneta to planeta poza nasząUkład Słoneczny. Egzoplaneta obraca się wokół swojej gwiazdy - odpowiednika naszego Słońca. Razem z gwiazdą jedna lub więcej egzoplanet tworzy układ słoneczny podobny do naszego. Odległość od najbliższej planety do gwiazdy macierzystej może być większa lub mniejsza niż w przypadku Merkurego, a odległe planety mogą znajdować się dalej niż Saturn i Pluton i być większe niż Jowisz - w ten czy inny sposób egzoplaneta, jedna lub więcej, tworzy ze swoją gwiazdą układ słoneczny.
Jakie są „inne” systemy słoneczne?
- Układ z jedną lub większą liczbą planet.
- Układ składający się z dwóch gwiazd i jednej planety.
- Układ składający się z planet, które mogą mieć odpowiednie warunki dla stabilności wody na swojej powierzchni, niezbędnej dla składnika życia, jakie znamy.
Jak wyszukiwane są egzoplanety?
W 2006 roku wystrzelono pierwszy statek kosmicznymisja poświęcona badaniom egzoplanetarnym to misja zwana CoRoT. W ciągu kilku miesięcy od wystrzelenia CoRoT odkrył swoją pierwszą planetę, gorący Jowisz, krążącą wokół gwiazdy takiej jak Słońce. W ciągu następnych kilku lat CoRoT postawił eksplorację egzoplanet z kosmosu na zrównoważonych podstawach z ciągłym wykrywaniem niezwykłych planet.
Kiedy misja NASA rozpoczęła się w 2009 rKeplera liczba znanych planet zaczęła rosnąć. Kepler to obserwatorium kosmiczne NASA, teleskop orbitalny z ultraczułym fotometrem, specjalnie zaprojektowany do poszukiwania egzoplanet.
Metody wykrywania egzoplanet są coraz dokładniejsze.
Metoda Dopplera(prędkości promieniowe, prędkości promieniowe). Pierwsze planety znalezione na orbicie gwiazd podobnych do Słońca odkryto właśnie tą metodą. Pojedyncza gwiazda pozbawiona układu planetarnego będzie miała środek ciężkości zlokalizowany w środku gwiazdy. Jednakże, gdy planeta krąży wokół gwiazdy, środek ciężkości układu gwiazda-planeta przesuwa się od środka gwiazdy, powodując, że gwiazda „porusza się” tam i z powrotem z perspektywy obserwatora, podobnie jak gwiazdy i gwiazdy. Planeta obraca się wokół wspólnego środka masy. Subtelne zmiany prędkości radialnej (w linii wzroku) gwiazdy można w zasadzie zmierzyć, aby wykryć obecność planet, które w przeciwnym razie byłyby niewidoczne.
Metoda Dopplera(prędkości promieniowe, prędkości promieniowe)
Metoda tranzytupozwala teleskopom mierzyć zorzę polarnąpotwierdzają obecność planet wokół gwiazdy, ponieważ za każdym razem, gdy planeta przechodzi przed gwiazdą, następuje ciemnienie. Cykliczne zmiany jasności wskazują na przejście planety między Ziemią a gwiazdą.
Metoda tranzytu
Astrometriato metoda wykrywania ruchugwiazd poprzez dokładny pomiar ich położenia na niebie. Technikę tę można również zastosować do identyfikacji planet wokół gwiazdy poprzez pomiar niewielkich zmian jej położenia podczas oscylacji wokół środka masy układu planetarnego.
Astrometria
Wykrywanie za pomocąmikrosoczewkowanie grawitacyjnewystępuje, gdy pole grawitacyjne gwiazdyzagina czasoprzestrzeń, która zagina światło odległej gwiazdy znajdującej się za nią. Efekt ten jest widoczny tylko wtedy, gdy obie gwiazdy są ustawione w jednej linii z Ziemią. Jeśli gwiazda pełniąca rolę soczewki ma planetę, pole planety może mieć niewielki, ale zauważalny wpływ.
Mikrosoczewkowanie grawitacyjne
Bezpośrednie wykrywanie egzoplanet opiera się na obrazach o wysokiej rozdzielczości i wysokim kontraście przy użyciu optyki adaptacyjnej.
Ile egzoplanet znajduje się we Wszechświecie? Czym oni są?
Do końca 2019 roku został znaleziony i potwierdzonyponad 4000 egzoplanet. Niektóre są tak masywne jak Jowisz, ale krążą znacznie bliżej swojej gwiazdy niż Merkury do naszego Słońca. Inne egzoplanety są skaliste lub lodowe, a wiele z nich po prostu nie ma odpowiedników w naszym Układzie Słonecznym.
W większości egzoplanety składają się z tego samegosame elementy, z których składają się planety w naszym Układzie Słonecznym, aczkolwiek z różnymi bilansami składu, które nadają każdej egzoplanecie charakterystyczne właściwości. Istnieją cztery podstawowe klasyfikacje egzoplanet, w tym światy podobne do Neptuna, światy z planetami takimi jak gorący Jowisz, światy z super-Ziemiami i światy z planetami podobnymi do Ziemi.
Super-ziemie
Super-Ziemia to planeta o masie od 1 do 10 mas Ziemi. Klasyfikacja super-ziemi odnosi się tylko do masy planety, ale nie mówi nic o stanie jej powierzchni ani przydatności do życia.
Ziemia po lewej i wrażenie artysty dotyczące super ziemi po prawej. Źródło: NASA / JPL-Caltech
Pierwsze superziemie, dwie egzoplanety o masach czterokrotnie większych od Ziemi, odkryto na orbicie wokół pulsara PSR B1257+12 w 1992 roku.
Pierwsza super-Ziemia wokół gwiazdy głównejSekwencję odkrył zespół kierowany przez Eugenio Rivera w 2005 roku. Krąży wokół Gliese 876 i został oznaczony jako Gliese 876 d (w tym układzie odkryto już dwa gazowe olbrzymy wielkości Jowisza). Planeta ma szacunkową masę 7,5 masy Ziemi i bardzo krótki okres orbitalny wynoszący zaledwie około 2 dni. Ze względu na bliskość Gliese 876 d od gwiazdy macierzystej czerwonego karła, Gliese 876 d może mieć temperaturę powierzchniową 430–650 kelwinów (156,85–376,85 ° C) i może zawierać wodę w stanie ciekłym.
Był to pierwszy czerwony karzeł, który miałodkrył układ planetarny. Prawdopodobnie masywne planety olbrzymy są generalnie nietypowe dla takich gwiazd. Od tamtej pory odkryto dziesiątki superziemi o masie zaledwie 1,9 masy Ziemi.
W kwietniu 2007 roku naukowcy ogłosili odkrycie dwóch nowych superziemi wokół Gliese 581, na skraju ekosfery gwiazdy, gdzie na powierzchni może znajdować się woda w stanie ciekłym.
Gliese 581 o masie co najmniej 5 masZiemia i odległość do jej gwiazdy dochodząca do 11 mln km (0,073 jednostki astronomicznej) znajduje się na „ciepłej” granicy ekosfery. Późniejsze badania wykazały, że Gliese 581 c prawdopodobnie doznała silnego efektu cieplarnianego, tak samo jak Wenus.
Astronomowie zasugerowali, że mogą nimi być superziemijest bardziej aktywny geologicznie niż nasza planeta i doświadcza bardziej energicznej tektoniki dzięki cieńszym płytom, które są poddawane większym naprężeniom. Ci, którzy szukają obcego życia, są zachwyceni super-ziemiami ze względu na możliwość, że mogą być skaliste i prawdopodobnie zamieszkane, w przeciwieństwie do gazowych gigantów.
Mini Neptun
Mini Neptun (czasami nazywany gazemplaneta karłowata lub planeta przejściowa) to egzoplaneta o masie od 2 do 10 mas Ziemi i gęstości mniejszej niż 1. Planety tego typu są mniejsze od Urana (14,5 masy Ziemi) i Neptuna (17,1 masy Ziemi).
Mini-neptun to gazowy karzeł z ciecząocean jest otoczony gęstą atmosferą wodoru i helu oraz małym skalistym jądrem. Chociaż niedawne odkrycie wykazało, że mini-neptuny, które wszyscy uważali za planety gazowe, mogą być super-Ziemiami ze skalistym jądrem otoczonym wodą nadkrytyczną. Woda przybiera ten stan przy bardzo wysokich ciśnieniach i temperaturach.
Planety pod względem wielkości i masy między Ziemią aNeptun nie istnieje w naszym Układzie Słonecznym, ale wydaje się, że występują powszechnie w innych częściach wszechświata. Są skrzyżowaniem skalistych planet naszego Układu Słonecznego i jego lodowych gigantów. W rezultacie astronomowie byli w stanie przeanalizować atmosferę jednego z tych „średnich” odległych światów, które są znane jako klasa „mini-neptunów”. Wyniki przeglądu zostały ogłoszone 2 lipca 2019 roku i opublikowane w czasopiśmie Nature Astronomy 1 lipca 2019 roku.
Mini Neptun - planeta Gliese 3470 b - obrotowawokół swojej gwiazdy - czerwony karzeł. Planeta waży około 12,6 masy Ziemi, co czyni ją znacznie masywniejszą niż Ziemia, ale mniej masywną niż Neptun w naszym Układzie Słonecznym (17 mas Ziemi). Gdyby umieścić Gliese 3470 b w naszym Układzie Słonecznym, idealnie pasowałaby między Ziemią a Neptunem pod względem wielkości. Uważa się, że planeta ma duże skaliste jądro pogrzebane pod głęboką, miażdżącą atmosferą wodoru i helu.
Ta ilustracja artysty pokazujeteoretyczna struktura wewnętrzna egzoplanety GJ 3470 b. To nie przypomina żadnej innej planety w Układzie Słonecznym. Ważąca 12,6 masy Ziemi planeta jest masywniejsza niż Ziemia, ale mniej masywna niż Neptun. W przeciwieństwie do Neptuna, który znajduje się 3 miliardy mil od Słońca, GJ 3470 b mógł uformować się bardzo blisko swojego czerwonego karła jako suchy obiekt skalny. Następnie grawitacyjnie wciągnął wodór i gazowy hel z dysku okołogwiazdowego, tworząc gęstą atmosferę. Dysk został rozproszony wiele miliardów lat temu, a planeta przestała rosnąć. Dolny rysunek przedstawia dysk, na który system wyglądał dawno temu. Dzięki uprzejmości NASA / ESA
Jednak naukowcy od czasu do czasu zadają pytanie: czy Gliese 3470 b jest mini-neptunem w takiej postaci, w jakiej jest obecnie wspomniany, czy też jest to super-ziemia?
Inny przykład mini-Neptuna – Kepler-11f mamasa 2,3 masy Ziemi i gęstość 0,69, taka sama jak Saturn, który ma masę 95 Ziem. Tej klasy właściwości ta egzoplaneta należy do kategorii mini-Neptunów, czyli gazowych karłów, które mają ciekły ocean otoczony grubą atmosferą złożoną z wodoru i helu oraz małym skalistym jądrem.
Gorące Jowisze
Gorące Jowisze to gazowe olbrzymy zz okresem obiegu krótszym niż 10 dni. Krótki okres oznacza, że gorące Jowisze znajdują się bardzo blisko swoich gwiazd macierzystych. Zwykle znajdują się mniej niż 0,1 jednostki astronomicznej, co stanowi jedną dziesiątą odległości między Ziemią a Słońcem. Gorące Jowisze dominują w odkryciach planet przez co najmniej dekadę, ponieważ najłatwiej je znaleźć przy pomocy metody prędkości radialnej (Doppler) i tranzytu.
Gorące Jowisze to masywne gazowe olbrzymy krążące wokół swoich Słońc w niewielkiej odległości od Ziemi-Słońce w naszym Układzie Słonecznym. Źródło: ESA
Zgodnie z nowoczesnymi modelami formowania się planet,technicznie gorące Jowisze nie powinny istnieć. Gazowy olbrzym nie może uformować się tak blisko swojej gwiazdy, ponieważ grawitacja, promieniowanie i intensywny wiatr gwiezdny muszą zapobiegać sklejaniu się gazu.
Jednak one istnieją; z ponad 4000 potwierdzonych do tej pory egzoplanet, aż 337 może być gorącymi Jowiszami.
Jednym z możliwych rozwiązań jest togorące jowisze tworzą się dalej tam, gdzie wystarczają materiały budowlane, a następnie migrują na swoje obecne pozycje. Migracja gorących Jowiszów może być spowodowana różnymi mechanizmami. Uważa się, że przyczyną jest brak równowagi prądów w dysku protoplanetarnym. Niektórzy naukowcy uważają, że orbity gorącego Jowisza są wzbudzane do bardzo dużej ekscentryczności (numeryczna charakterystyka orbity ciała niebieskiego, która charakteryzuje „kompresję” orbity).
Jednak nowe badania zaprezentowane na stronie233. spotkanie Amerykańskiego Towarzystwa Astronomicznego w Seattle potwierdza koncepcję, która jest sprzeczna z wcześniejszymi poglądami na temat powstawania planet, ale zyskuje na popularności w tej dziedzinie.
Gigantyczne planety, które krążą wokółich gwiazdy mogły powstać w pobliżu ich słońc w ciągu kilku dni, zamiast formować się w oddali i później migrować w kierunku gwiazdy.
Praca opublikowana 5 października 2018 w TheAstrophysical Journal Letters pokazuje, że takie gigantyczne planety, zwane gorącymi Jowiszami, mogą formować się w miejscu blisko swoich gwiazd i pozostawać tam przez całe życie bez parowania.
Dyski protoplanetarne tworzące planetywokół młodych gwiazd ma dziurę w środku utworzoną przez pole magnetyczne gwiazdy. Nowe badania wykazały, że wewnętrzna granica dysku może tworzyć gazowe olbrzymy bez konieczności dalszego formowania się i migracji. Źródło: NASA / JPL-Caltech
W 2017 roku odkryto świat podobny do Jowisza.tak gorąca, że planeta zostaje wyparowana przez własną gwiazdę. Z temperaturą w ciągu dnia przekraczającą 4315,556°C (4600 Kelvinów), KELT-9b jest planetą gorętszą niż większość gwiazd. Jednak jej niebieska gwiazda typu A, zwana KELT-9, jest jeszcze gorętsza — w rzeczywistości prawdopodobnie powoduje rozpad planety w wyniku parowania.
Koncepcja tego artysty przedstawia planetęKELT-9b krążący wokół swojej wiodącej gwiazdy, KELT-9. Jest to najgorętsza odkryta dotąd gazowa olbrzymia planeta. Źródło: NASA / JPL-Caltech
W 2019 roku został ustanowiony nowy rekord wśródorbity gorących Jowiszów. Badanie sugeruje, że gazowy olbrzym o nazwie NGTS-10b okrąża swoją gwiazdę tak blisko, że okrąża ją w 18,4 godziny. Odkrycie sprawia, że ten układ słoneczny jest niesamowitym laboratorium do badania interakcji pływowych między gwiazdą a niebezpiecznie bliską egzoplanetą olbrzymią.
Analogi Ziemi
Przed poszukiwaniami naukowymi i badaniami planet pozasłonecznychta możliwość istnienia planet takich jak Ziemia była omawiana tylko w filozofii i science fiction. Zasada przeciętności sugeruje, że planety takie jak nasza powinny być powszechne we Wszechświecie, a hipoteza o wyjątkowej Ziemi sugeruje, że są one niezwykle rzadkie. Tysiące odkrytych do tej pory egzoplanetarnych układów gwiazd bardzo różni się od naszego Układu Słonecznego, potwierdzając jednocześnie hipotezę o wyjątkowej Ziemi.
Filozofowie zauważają, że wielkość wszechświata jest takaże gdzieś musi być prawie identyczna planeta. W odległej przyszłości ludzie mogą używać technologii do sztucznego wytwarzania ziemskiego odpowiednika poprzez terraformację. Teoria multiwersu sugeruje, że analog Ziemi może istnieć w innym wszechświecie, a nawet być inną wersją samej Ziemi w równoległym wszechświecie.
Na podstawie badań z 4 listopada 2013 r.istnieje 40 000 000 000 planet wielkości Ziemi krążących wokół swoich gwiazd w ekosferze w obrębie Drogi Mlecznej. Najbliższa taka planeta może znajdować się 12 lat świetlnych stąd. Astronomowie dostarczyli wyniki oparte na danych z misji Kepler.
Odkrycia naukowe od lat 90. XX wieku wywarły głęboki wpływ na dziedzinę astrobiologii, modele zamieszkiwania planet oraz poszukiwanie pozaziemskiej inteligencji (SETI).
Gdzie szukać życia?
Znamy tylko jedną planetę, która mażycie to Ziemia. A na naszej planecie woda jest najważniejszym składnikiem życia, jakie znamy. Chociaż astronomowie nadal nie są pewni, czy na innych planetach istnieje życie, zawężają oni poszukiwania potencjalnie nadających się do zamieszkania światów, stosując kilka kryteriów.
Ponieważ naszą koncepcją życia jest Ziemia, astronomowieposzukiwanie planet o cechach podobnych do niej. Takich jak na przykład woda w stanie ciekłym. Ale obiekt niebieski może obracać się tylko tak blisko (jak Merkury) lub tak daleko (jak Pluton) od swojej gwiazdy, że woda najpierw wyparowuje lub zamarza na jego powierzchni, niż może tam powstać życie. Strefa nadająca się do zamieszkania to zakres odległości z odpowiednią temperaturą, aby woda na planecie była w stanie ciekłym. Naukowcy mają nadzieję, że odkrycia w strefach nadających się do zamieszkania, takich jak planety wielkości Ziemi Kepler-186f, doprowadzą nas do wody - i pewnego dnia do obcego życia.
W środku znajduje się strefa mieszkalna. Kredyt: NASA
Jeśli gdziekolwiek można znaleźć życie, najprawdopodobniej będą to egzoplanety w strefie zamieszkiwalnej.
Przyszłość badań egzoplanet: główne misje i cele
JWST (Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba)
Misja Kosmicznego Teleskopu NASA / ESA / CSAPremiera Jamesa Webba w 2021 roku zapewni nowe, przełomowe możliwości obserwacji egzoplanet i ich atmosfer. Mając zestaw czterech instrumentów działających w zakresie podczerwieni, Webb wykorzysta kilka metod do badania tych ciał pozasłonecznych.
Bardzo czułe obserwacje spektroskopowe planet tranzytowych - o podobnych cechach pod względem wielkości i masy - zapoczątkują erę porównawczej nauki planetarnej dla egzoplanet.
Wrażenie artysty dotyczące Webba. Źródło: ESA, NASA, S. Beckwith (STScI) i zespół HUDF, Northrop Grumman Aerospace Systems / STScI / ATG medialab
Webb scharakteryzuje atmosfery egzoplanetpoprzez przechwytywanie widm absorpcji, odbicia i emisji przy długościach fal podczerwonych dla planet obejmujących zakres rozmiarów od superziemi po gazowe olbrzymy. Wykorzysta fakt, że cząsteczki w atmosferach egzoplanet mają dużą liczbę charakterystyk widmowych przy tych długościach fal, zapewniając obserwatorom bogaty zestaw narzędzi diagnostycznych, z których wiele nie jest dostępnych na Ziemi.
Webb będzie również mógł renderować bezpośrednioniektóre młode i masywne egzoplanety krążące w większych odległościach od swojej gwiazdy macierzystej niż większość tranzytowych. Trzy z narzędzi Webba mają możliwości obrazowania o wysokim kontraście (w dwóch przypadkach odbywa się to za pomocą koronografu), aby zminimalizować odblaski gwiazdy macierzystej i uprościć obraz planety. Obserwacje z użyciem kilku filtrów podczerwieni dostarczą wielu informacji o tych planetach, ich właściwościach i mechanizmach powstawania.
PLATO
Misja ESA PLATO (PLAnetary Transits andOscylacje gwiazd) powinny rozpocząć się w 2026 roku. PLATO ma na celu wykrycie i scharakteryzowanie dużej liczby nowych pozasłonecznych układów planetarnych poprzez poszukiwanie setek tysięcy jasnych gwiazd tranzytujących planet. PLATO będzie miał wyjątkową zdolność wyszukiwania i określania właściwości planet ziemskich, które krążą w ekosferze wokół gwiazd podobnych do naszego Słońca.
Poprzez połączenie precyzyjnych pomiarów promienia PLATO dladuża próbka planet o odpowiednich masach planetarnych określonych na podstawie obserwacji naziemnych, naukowcy będą mogli zbadać różnorodność istniejących planet. Obserwacje te pozwolą również naukowcom określić skład objętościowy dużej liczby mniejszych planet, zbadać ich podobieństwo do Ziemi i zbadać ich zdolność do życia.
Odkrywanie planet krążących wokół jasnych gwiazdPLATO będzie pionierem przyszłych misji poszukujących śladów życia - tego typu planety są najlepszymi kandydatami do późniejszych pomiarów spektroskopowych do pomiaru struktury i składu atmosfer planetarnych.
ARIEL
Teleskop kosmiczny w fazie rozwoju,który ma wystartować w 2028 r. jako część czwartej misji średniej klasy Europejskiej Agencji Kosmicznej, Cosmic Vision. Planuje się, że za pomocą teleskopu zbadanych zostanie co najmniej 1000 egzoplanet metodą tranzytową.
Od premiery w 2028 roku ARIEL będziejest przeznaczony do prowadzenia bardzo precyzyjnych obserwacji z wykorzystaniem jednoczesnej fotometrii w widzialnym obszarze widma oraz spektroskopii w bliskiej podczerwieni. Będzie obserwować i badać około 1000, głównie gorących i gorących gigantów gazu tranzytowego, Neptuny i superziemi wokół różnych typów gwiazd i architektur układów planetarnych.
Prognozy
Z tym zestawem teleskopów kosmicznychUruchomiony w ciągu następnej dekady, możemy spodziewać się odkrycia Ziemi 2.0, jednocześnie dodając dziwniejsze i bardziej nieoczekiwane planety do kolekcji egzoplanet. Przed nami ekscytujące czasy.
Po co badać egzoplanety?
„Czy jesteśmy sami we wszechświecie?„ to jedno z najgłębszych pytań, jakie może zadać ludzkość. Odkrycia pierwszej egzoplanety krążącej wokół gwiazdy takiej jak nasze Słońce dokonano w 1995 roku, a dziś badania egzoplanet stanowią jedną z najszybciej rozwijających się dziedzin astronomii.
Odkrywanie różnorodnego spektrum egzoplanet iOdkryte do tej pory układy planetarne - od małych do dużych, od tych, które wydają się ziemskie po bardzo dziwaczne - nie tylko pomagają nam dowiedzieć się, jak te konkretne układy powstały i rozwijały się, ale także dostarczają ważnych wskazówek pomagających zrozumieć, czy i gdzie może istnieć życie gdzie indziej we wszechświecie.
Czytaj także
Spójrz na trójwymiarową mapę Wszechświata: była tworzona przez 20 lat i już zaskoczyła naukowców
Kometa NEOWISE jest widoczna w Rosji. Gdzie ją zobaczyć, gdzie szukać i jak zrobić zdjęcie
Planet Parade 2020: gdzie oglądać, kiedy się odbędzie i co mówi o tym nauka