Почему во Вселенной так много планет-сирот? Как астрономы находят такие объекты?
Какая планета, по вашему мнению, является самой типичной для нашей Вселенной? Вы можете представить себе маленький каменистый объект, огромный газовый гигант или что-то промежуточное, но наверняка считаете, что это небесное тело вращается вокруг какой-то звезды. Именно в последнем отношении ваше понимание космоса далеко от реальности, так как большинство планет бесхозны. Их невероятно трудно найти, но астрономы подсчитали, как много этих «бродяг» в глубинах Вселенной.
Планета-сирота. Иллюстрация
Как появляется «планета-сирота»? Это, кстати, самое распространенное обозначение для объектов данного типа. Она может сформироваться стандартным образом внутри протопланетного диска, окружающего молодую звезду. Он состоит из газа, пыли, камня и льда. Гравитация и беспрерывные столкновения частичек материи лепят из этого откровенного мусора небесные тела весьма приличных размеров, многие из которых впоследствии можно именовать планетами. Но та же самая гравитация способна превратить эти объекты в изгоев. Если рядом с ними пролетает какой-нибудь газовый гигант или даже звезда, то беднягу банально вышвыривает за пределы системы в бескрайние космические просторы.
Протопланетный диск в представлении художника
Также образование планеты может происходить в результате «коллапса ядра», когда большое облако пыли и газа, плавающее посреди космоса, приобретает достаточную массу, чтобы «схлопнуться» в искомое небесное тело. Так обычно образуются звезды, но если что-то нарушает этот процесс, все может закончиться рождением всего лишь планеты. Причиной может быть гравитационное воздействие внутри области активного звездообразования, когда объект выбрасывается прочь «недоразвитым». Также виновником способен стать слишком сильный звездный ветер, который сдувает газ, необходимый для формирования светила. В любом случае при недостатке массы получится не звезда, а богатая газом планета.
Эмиссионная туманность Пузырь (NGC 7635). Снимок космического телескопа Хаббл
Астрономы знают, что планеты-сироты формируются как минимум двумя этими способами, но не имеют понятия, какой из них Вселенная использует чаще. Одной из причин, затрудняющих поиск ответа на этот вопрос, является то, что найти объекты данного типа в космосе невероятно сложно. Наиболее распространенные и эффективные технологии обнаружения экзопланет требуют наличия звезды. Это, в частности, транзитный метод, когда ученые долго отслеживают яркость светила, и если замечают, что этот показатель падает на одну и ту же величину через равные промежутки времени, то делают вывод о присутствии планеты.
Транзитный метод
Используется также метод доплеровской спектроскопии, когда отслеживается цвет света, а не его яркость. Гравитация планеты, вращающейся вокруг звезды, заставляет ту «дергаться» из стороны в сторону. При этом свет последней выглядит более красным, когда она отдаляется от земного наблюдателя, и более голубым, если приближается. Таким образом, если цветовые перепады происходят упорядоченно, мы тоже можем сделать вывод о наличии планеты. Астрометрия также основана на колебаниях, но она отслеживает фактическое движение звезды в космосе. Заметить планету-сироту теоретически можно и с помощью прямых наблюдений, но современные технологии этого рода не позволяют делать это посредством обычного сканирования неба.
Метод доплеровской спектроскопии
Как бы то ни было, все перечисленные методы лучше всего работают с экзопланетами, вращающимися вокруг звезд. Хотя и здесь недостатков много. Во-первых, эти способы склонны гораздо чаще находить большие горячие планеты, которые располагаются в непосредственной близости от своих звезд. Прямое наблюдение вообще не способно засечь далекие объекты данного типа. Это все равно что искать темные пиксели в бескрайнем темном море.
К счастью, чтобы обнаружить планету, видеть ее вовсе не обязательно. Существует, например, эффект гравитационного линзирования, когда материя искажает доходящий до наблюдателя свет. Чаще всего его используют, чтобы заглянуть на самые окраины Вселенной с помощью скоплений галактик, имеющих гигантскую совместную массу. Для поиска сирот можно применять родственный ему метод гравитационного микролинзирования, когда искаженный свет рассказывает непосредственно о самой «линзе», которая действительно может быть размером с планету.
Метод гравитационного микролинзирования
Когда планета-сирота проходит между земным наблюдателем и фоновой звездой, происходит событие микролинзирования. Такие параметры, как изменение яркости светила и продолжительность эффекта, говорят о массе линзы. Как и все другие методы, этот лучше работает с крупными объектами, коими предстают газовые гиганты и коричневые карлики, считающиеся в астрономии чем-то вроде несостоявшихся звезд. Данный метод впервые позволил заметить планету в 2003 году, и её масса была вдвое больше, чем у Юпитера. Первая научная статья, посвященная поискам сирот посредством гравитационного микролинзирования, была опубликована в 2011 году. Её авторы сообщили, что на каждую звезду Млечного Пути приходится примерно два «странника» массой с Юпитер. Однако эта оценка была основана на очень небольшой выборке и не учитывала менее крупные планеты, в том числе земного типа.
Коричневый карлик. Иллюстрация
Затем в течение многих лет выходили все новые отчеты на интересующую нас тему, и их авторы предлагали собственную оценку количества планет-сирот во Вселенной. Результаты последнего исследования были опубликованы в 2023 году, и они потрясают воображение. Здесь утверждается, что на каждую звезду приходится от 8 до 44 таких планет. Для сравнения: количество обычных объектов этого рода, вращающихся вокруг звезд, составляет около 3,2-4,3, то есть «беспризорных бродяг» может быть до 10 раз больше. Исследование ещё не прошло процесс экспертной оценки, но коллеги ученых считают, что их вывод выглядит достоверно. Авторы рассмотрели более 3500 потенциальных событий микролинзирования, причем каждое из них должно было соответствовать серьезным квалификационным критериям.
Ученые свели полученные данные о планетах-сиротах Млечного Пути в вероятностную массовую функцию. Это модель, которая показывает количество тел с разной массой, будь то в скоплении звезд, образовавшихся внутри одной области космоса, или, как в нашем случае, среди «бродячих» небесных тел. Оказалось, что в этом сообществе должно быть огромное количество небольших планет. Таким образом, если астрономам легче искать условные Юпитеры, это не значит, что в космосе нет ничего кроме них. Созданная функция позволила сравнить общую массу планет-сирот с массой всех звезд нашей галактики. Выяснилось, что на одно светило размером с Солнце приходится от 88 до 368 сирот земной массы. Понятно, что в применении к газовым гигантам это гораздо меньшее количество. Усредненно это и дало от 8 до 44 планет на одну звезду.
Планеты-сироты в представлении художника
Может показаться, что перед нами очень большая погрешность. Это действительно так, но ничего удивительного здесь нет. Во-первых, астрономам нужно подстраховаться, так как микролинзирование не всегда позволяет отличить сироту от обычной планеты, находящейся на значительном удалении от своей звезды. Чтобы избавиться от этой неопределенности, им придется использовать более совершенное оборудование. К счастью, ждать этого осталось недолго. В 2026 или 2027 году будет запущен космический телескоп «Нэнси Грейс Роман». Если это случится, можно надеяться на настоящий прорыв в области исследований космоса в инфракрасной части спектра. Обсерватория оборудована широкоугольным прибором с чувствительностью как у «Хаббла», но со стократно более широким полем обзора. Ожидается, что она предоставит гораздо более точные данные о планетах-сиротах. Конечное значение их количества на звезду может оказаться ближе к восьми, чем к сорока четырем, но каким бы оно ни было, у науки также появится шанс ответить, почему этих объектов так много во Вселенной.
Космический телескоп имени Нэнси Грейс Роман (Nancy Grace Roman) в представлении художника
Спасибо за внимание! Если вам понравилась статья, то можете поддержать нас "плюсиком" или подписаться на наш канал. Также хотелось бы упомянуть, что у нас есть свой Телеграм канал. Там мы постоянно публикуем интересные посты о космосе и астрономии.