Популяризатор астрономии Игорь Тирский рассказал, какими бывают планеты за пределами нашей солнечной системы и где их можно найти.
Интервьюер: Елена Королёва.
Запись: Сергей Котиков.
Монтаж и дизайн: Алла Пашкова.
Стенограмма: Мария Мазурина.
Благодарим за поддержку на Patreon
Andrey Kravtsov
Евгений Цыкало
Olga Petrukovich
DemetriusXXI
Vladimir Kondratenko
Mustard_Lolipop
Руслан dag05
Ashot Petrosyan
Dmitry Belyaev
Alexey Buzmakov
Владимир
Ann Kamm
Timofei
Отдельная благодарность Евгению Даниленко!
Всем привет! Как вы уже поняли из названия видео, это вторая часть интервью с Игорем Тирским про экзопланеты. Дело в том, что мы отсняли целых полтора часа материала, но не решились выкладывать их сразу в сеть, потому что YouTube не любит длинные видео. Они проваливаются в трендах, и мы не хотим таких вещей. Поэтому посмотрите первую часть, она замечательная. Серьёзно, это целый час чистого восторга, вам понравится, я обещаю! Кстати, про длинные видео: нам важно понимать, какие видео вы смотрите. Стали бы вы смотреть полуторачасовое интервью с Тирским? Напишите! Стали бы вы смотреть много-много десятиминутных роликов? Напишите! Мы должны знать, что вам нравится. Приятного просмотра!
Интервьюер: Скажи, пожалуйста, какие-нибудь типы планет, которых нет в Солнечной системе, открыты вне Солнечной системы?
Игорь Тирский: Да, конечно, я как раз-таки рассказывал про Земли, про суперземли. Это планеты, в принципе похожие на наши, – планеты Солнечной системы. Например, на Земле мы имеем массу одна Земля, то есть одна земная масса.
Интервьюер: Логично.
Игорь Тирский: А те суперземли могут быть нескольких земных масс: три, четыре, может быть даже пять земных масс. Таких планет у нас (в Солнечной системе) нет. Существуют также горячие Юпитеры. В принципе, наш Юпитер тоже горячий, если можно так сказать, потому что он излучает больше, чем поглощает излучения. Внутри него идут процессы, вследствие которых возникает энергия, и она высвобождается в виде инфракрасного излучения. То есть он излучает в инфракрасном диапазоне больше, чем поглощает. Но это действительно холодная планета – температура там -200 градусов (по Цельсию). А у экзопланет температура может доходить до сотен, до тысяч градусов выше нуля (по Цельсию). Поэтому они могут быть близко к звезде, звезда даже может своим излучением обдирать часть планеты. То есть своим звёздным ветром обдирать её, и планета может за собой оставлять шлейф из своих газов. Поэтому горячий Юпитер примерно похож на наш Юпитер. Есть также ещё Нептуны, то есть похожие на наш Нептун планеты. В принципе, учёные стараются взять все наши планеты и найти аналогию у экзопланет. Но есть, например, интересные планеты, так называемые планеты-океаны. Это когда планета практически полностью состоит из воды. Как это поняли учёные: они, естественно, не наблюдали эту планету, но они вычислили её массу. Как это сделать, я даже могу вам показать, наверное.
Вот смотрите. На формулы внимания не обращайте пока, они немножко страшно выглядят. Но смысл такой: в принципе мы можем у любой звезды, у которой нашли экзопланету, если мы знаем массу звезды, и расстояние до звезды, найти массу. Расстояние мы можем померить различными способами, например, мы можем взять так называемый метод триангуляции. Мы можем наблюдать за звездой в одной точке нашей орбиты, потом с другой точки орбиты смотреть на звезду. Зная расстояние между нами и Солнцем, мы поймём диаметр орбиты - это будет основание треугольника, и два угла. По углам и основанию треугольника мы найдём расстояние до звезды. А дальше мы можем по светимости звезды найти её массу и прочие вещи. Соответственно, мы определили массу и расстояние до неё, поняли, что у звезды есть экзопланета, потому что звезда ведет себя немножко странно по сравнению с другими звездами. Например, она колеблется или смещается в спектре. Нашли, что что-то её колеблет, но нам нужно понять массу этой экзопланеты. И чтобы понять массу, мы вычисляем зависимость масса-светимость у родительской звезды, то есть у той звезды, у которой экзопланету обнаружили. Есть специальная формула, вот такая:
Это значит, что масса этой звезды по отношению к массе Солнца в степени три с половиной и умножить на полтора. Коэффициент 1.5, ровно как и другие, были найдены эмпирическим путем. Мы можем взять кучу звезд и определить у них эмпирическим путем различные параметры и примерно вывести такую закономерность, как здесь представлена. Она несложная, нужно просто возвести в степень. Таким образом, эта формула работает для вот таких масс. Зная массу, мы найдём светимость. Светимость (L) – то, насколько ярко звезда излучает, грубо говоря. То есть мы определили светимость – L, а потом находим массу – M. Почему нам нужно найти массу звезды? Массу звезды нам нужно найти, чтобы потом определить, как далеко эта экзопланета может обращаться. То есть, зная период обращения, мы можем вычислить максимальное расстояние, на которое экзопланета может отдаляться от звезды. Найдя это, мы можем по формуле закона всемирного тяготения вычислить силу притяжения между планетой и звездой, таким образом найти массу уже экзопланеты, и далее найти её радиус.
Как я рассказывал, это довольно просто: наблюдают звезду, наблюдают падение блеска звезды, и здесь есть отношение падения блеска (drop). Drop – это капля, или падение. То есть, насколько сильно упала яркость, мы знаем. И R² мы тоже знаем, потому что мы знаем диаметр звезды (мы уже нашли её светимость и массу, поэтому можем вычислить её диаметр). А зная диаметр звезды и падение, мы можем вычислить площадь экзопланеты, которая закрывает собой звезду. Таким образом, мы уже знаем радиус планеты и массу планеты. Зная радиус и массу, мы находим плотность. По обычной формуле из 7 класса – делим массу на объём.
Зная радиус шара, мы можем выячисить объём: 4/3*πR³, сюда подставляем, и получается плотность. И когда учёные посчитали таким методом, в принципе такими методами считают. И когда таким методом посчитали, оказалось, что у некоторых планет плотность меньше, чем у воды. И они подумали, что, наверное, они состоят из воды, раз у них маленькая плотность, или из чего-то похожего на воду. У некоторых планет плотность будет чуть больше или меньше, чем у воды, или прямо равна плотности воды. И они подумали, что, наверное, это вода. Вода – жидкость несжимаемая, соответственно скорее всего планета состоит практически полностью из воды. То есть учёные косвенным путём понимают, из чего могут состоять планеты, просто зная массу звезды, расстояние до звезды и светимость. А дальше они уже находят, зная период обращения экзопланет вокруг звезды, потому что период затемнения определённый. То есть промежутки времени между периодами измеряя, это и есть период обращения. Зная период обращения, по третьему закону Кеплера находят, как далеко планета обращается, а по закону всемирного тяготения находят как они взаимодействуют между собой – звезда и планета. И зная массу звезды, вычисляют массу планеты, потому что тело определённой массы на определённом расстоянии будет вести себя определённым образом. Массу мы можем не учитывать, но можем вычислить. Таким образом, зная все эти параметры, можно найти уже физические характеристики планеты. В принципе, их так и находят. Понятно, что учёные не только простой калькуляцией вычисляют эти параметры, но они также используют другие косвенные методы. Но в принципе, все методы похожи. Мы максимум можем видеть излучение планеты. Кстати, когда я показывал таблицу с экзопланетами. У нас есть ещё более подробная таблица, там другие параметры других экзопланет есть. Вы можете взять эти три формулы и вставить эти параметры, и получите примерно табличные значения других параметров. То есть по этим формулам учёные и считают.
Существует ещё более подробная таблица экзопланет, про которую я рассказывал. На предыдущих слайдах мы видели экзопланеты на более примитивной таблице, а здесь таблица с другими параметрами, характеристиками, это больше для учёных и исследователей данные, здесь можно построить различные графики и посмотреть документацию по всем параметрам. И если вы возьмёте те формулы, про которые мы говорили чуть раньше – формулы нахождения массы экзопланеты, возьмёте данные про звезду и подставите все значения, то вы получите примерно похожие значения в этой таблице. То есть, вы примерно проделаете ту науку, которую проделывают учёные. Все эти вычисления будут примерно похожи на данные таблицы. Скорее всего некоторые данные получены благодаря простым вычислениям с помощью третьего закона Кеплера и закона всемирного тяготения. То есть тут ничего сверхъестественного нет.
Интервьюер: Какие условия на известных нам экзопланетах мы можем считать самыми экзотическими?
Игорь Тирский: Далеко ходить не надо: у нас есть Венера. На ней условия довольно экзотические: там (давление) сотни атмосфер, 500 градусов. У нас есть Нептун или Уран, на котором, говорят, идут алмазные дожди. В принципе, условия на экзопланетах чем-то схожи с условиями на Венере или на Уране, или даже на Юпитере – там газ, нет поверхности твёрдой. Но вот я говорил как раз про планеты-океаны, возможно существуют планеты, где поверхность – только вода и нет твёрдых поверхностей, и она состоит практически полностью из воды. Возможно, существуют планеты, которые находятся в полностью расплавленном состоянии, то есть, это может быть поверхность, но она расплавленная. Например, это каменная планета, которая очень близко к звезде находится и поверхность её вся жидкая практически. Возможно, существуют планеты, на которых идут свинцовые дожди, или что-то в этом духе. То есть не дожди водяные, существуют, возможно, те же процессы, что и на Земле происходят, когда у нас идёт дождь, потом это испаряется, потом облака – круговорот воды в природе так называемый. И такой же круговорот, но других веществ, может быть на этой планете. Например, круговорот свинца, или чего-то другого. Это довольно экзотические условия. В основном, конечно, на всех таких экзопланетах жарко. Температуры этих экзопланет настолько высокие, что жизнь там точно существовать не может, то есть это сотни градусов выше нуля, примерно как на Венере. Понятно, что существуют экзопланеты, на которых условия приемлемые даже для жидкой воды, находятся в так называемой «зоне обитаемости». Эту зону вычисляют как раз таки по звезде. То есть смотрят на звезду, понимают, какого она размера, например, большая или маленькая, и как ярко она светит, и в зависимости от этого понимают, где проходит так называемая линия или зона, какое-то расстояние, где вода может находиться в жидкой фазе. А это важно, потому что вода – это основа для жизни, по крайней мере, земной жизни. Соответственно, мы можем судить о том, есть ли вероятность жизни на этой планете только по этой зоне обитаемости. Если мы возьмём наше Солнце, то где будет зона обитаемости: её центр будет проходить примерно около Земли, а вот край будет проходить около Марса. А нижний край зоны обитаемости будет проходить около Венеры. То есть чуть-чуть ещё была бы Венера подальше (от Солнца), на ней тоже могла была бы быть жизнь. Проблема в том, что на Венере парниковый эффект. А Марс прямо на краю зоны обитаемости находится, даже чуть-чуть выходит из неё, именно Солнца, такой звезды, как Солнце. И если бы Марс был чуть-чуть поближе, даже на 50 миллионов километров, то может быть на нём была бы жизнь. Но проблема в том, что Марс маленький, и атмосфера у него быстро улетучивается. Атмосфера когда-то на Марсе была, была жидкая вода, но сейчас атмосфера улетучилась, и жидкая вода не может существовать, потому что нет давления.
Интервьюер: Игорь, мы обсудили, каким образом можно выяснить, что планета состояла, например, из воды. А если на ней свинцовые дожди, каким методом мы можем это выяснить?
Игорь Тирский: Это я для красного словца привёл скорее.
Интервьюер: Но часто встречается в Интернете, когда какие-нибудь посты читаешь, что вот на такой-то планете дожди из алмазов, на другой – дожди из свинца, а здесь стекольные бури какие-нибудь. Это на чём-то основывается?
Игорь Тирский: Да, основывается. Но обычно это всё-таки приукрашение художниками или журналистами того, что на самом деле происходит. Если вы откроете любую научную статью про эту экзопланету, то вы там такой информации не найдёте, вы максимум можете найти информацию о том, как учёные с помощью спектрального метода выяснили, какие могут быть параметры у атмосферы этой планеты, то есть какие линии поглощения есть у атмосферы. Когда планета проходит на фоне звезды, лучи звезды проникают через атмосферу планеты, и какая-то часть лучей блокируется элементами атмосферы планеты. И до нас доходит спектр звезды, но с линиями. И эти линии находятся на определённых местах, это линии поглощения. Через эти элементы свет не смог пройти, то есть он провзаимодействовал с этими элементами и поглотился. Они так и называются – линии поглощения. И этот спектр превращается из равномерного в кусочный. И положение этих кусочков строго определённое. Мы можем взять лабораторный спектр, провести там эксперименты, например, по сжиганию всех этих элементов, замерить их спектр, и понять, на каком расстоянии друг от друга эти элементы должны быть в спектре. И взять спектр звезды, который мы снимали, и сравнить с лабораторным. Посмотреть, на каких линиях спектра эти пробелы наблюдаются, то есть падение яркости там, где чёрные линии. И понять, что эта чёрная линия отвечает, скорее всего, за свинец, эта чёрная линия отвечает, например, за магний, эта – за кислород, за водород и тому подобное. И поймём, что эта атмосфера состоит, скорее всего, из свинца. Если она из свинца, наверное, там идут свинцовые дожди. И журналисты говорят: «О, классная тема, давайте напишем про это статью!». В принципе, оно так и происходит. Поэтому всё, что мы читаем, это всё-таки вариации возможных событий, которые происходят на экзопланетах. Так же, как и экзопланеты-океаны. Учёные, как я показывал раньше, посчитали по этой простой формуле массу, нашли плотность – плотность похожа на плотность воды, значит, классная новость, всем можно рассказать. Потому что если скажут, что учёные нашли планету с плотностью 1 г/см³. А вот если скажут, что нашли планету-океан, то это уже совсем другая новость, и по-другому люди воспримут. Естественно, учёные стараются найти какие-то такие интересные факты о планете, которых может там и не быть, но они близки к правде. Потому что, если мы откроем научную статью и будем смотреть, что там написано, мы всё-таки найдем элементы художественного вымысла там. Мы найдём, что там, скорее всего, свинец, там, скорее всего, плотность похожа на воду, но там учёные не говорят, что это планета-океан. Они просто говорят, что там плотность такая-то, там находится свинец в атмосфере, а уж журналисты додумают. Им же нужно как-то преподать эту информацию. Вот отсюда и появляются стекольные бури и прочие вещи.
Интервьюер: То есть это всё если не обман, то некоторое преувеличение?
Игорь Тирский: Это преувеличение, скорее всего, но доля правды там есть, потому что, если мы возьмём ту же Венеру, мы можем наблюдать на ней экстремальную температуру, экстремальное давление, серные дожди из серной кислоты. Что касается Урана – там вероятно идут алмазные дожди, но мы пока этого не наблюдаем, потому что туда аппаратов не посылали. В принципе, условия на планетах Солнечной системы похожи на какие-то фантастические рассказы, что-то в этом духе. И в целом, раньше люди думали, когда писали фантастические романы про Венеру, про Марс, про другие планеты, о том, какие там могут быть условия, и некоторые даже угадали.
Интервьюер: А есть ли, учитывая, что у нас уже довольно большой массив данных по существующим экзопланетам накопился, есть ли какие-то системы математического моделирования, которые могут предсказать, где мы можем найти новую планету? То есть, чтобы мы построили там модель, а потом уже знали, куда направить телескоп, чтобы найти что-то.
Игорь Тирский: Ну, с телескопом это гораздо сложнее, потому что мы не знаем, как космос заполнен. Мы примерно знаем распределение планет и звёзд в космосе, и несколько миллиардов звёзд мы знаем точно, как расположены, и мы можем понять, что в этой области есть такие-то звёзды, и скорее всего, около вот этих звёзд могут быть экзопланеты такого типа, которые нам нужны. Но, опять же, мы нашли не так много экзопланет, чтобы строить математические модели. У нас всё-таки большое разнообразие звёзд, большое разнообразие планет. Какие-то модели можно построить, но они всё-таки будут довольно условными. Мы не сможем построить модель, когда нам нужно будет направить телескоп, и в этой точке будет планета. Это невозможно практически, я сейчас не могу себе такое представить. Но, в принципе, чисто теоретически, мы можем просто фотографировать небо, и на основе этих данных мы можем сделать математическую модель, которая будет по кривым блеска определять. Кривые блеска – это когда звезда то тусклеет, то ярче становится. Это всё снимается на протяжении 20 дней, может 100 дней, годов, лет, много лет снимается, и всё это копится, получаются длинные графики. И если мы модель математическую направим на графики, еще старые, 90-х годов, мы можем из этих графиков выудить новые экзопланеты. Такие графики есть, они даже выложены в Интернет, на сайте Гитхаба. Если вы знакомы немного с Линуксом или с MacOS, можете разрабатывать, программировать, в принципе, вы можете на Гитхабе найти кучу репозиториев, где выложено огромное количество кода для анализа экзопланеты. В принципе, вооружившись этим кодом, вы можете попробовать поискать экзопланеты. Понятное дело, что учёные это уже сделали, и этот код выложен в основном для дальнейшего исследования, но если вы этот код сможете поправить, улучшить его, чтобы он быстрее обрабатывал данные, или как-то иначе обучить нейросеть, то вы, конечно, можете взять этот код и прогнать его по всем существующим данным, сотням тысяч кандидатов в экзопланеты, и ещё какие-то найти. Но, конечно же, NASA постоянно это делает, и я думаю, что вряд ли с ними можно посоревноваться, не только NASA, но и другие учёные. Поэтому прямо сказать, чтобы взять, скачать и сделать, наверное, нет, но в будущем, я думаю, люди уже смогут, используя простые инструменты, создавать модели поиска небесных объектов, и уже по ним будут работать телескопы. Вполне возможно, но опять же, нам стоит понять, что космос неоднородный, там-сям могут быть разные звёзды, они взрываются, у этих звёзд могут быть планеты, или эти экзопланеты ещё не родились, или давно появились. Все они абсолютно разнообразны, то есть нет ни одной одинаковой экзопланетной системы. Если взять все экзопланетные системы, их там несколько тысяч, их меньше, чем экзопланет, потому что у одной звезды может быть две экзопланеты, три, десять. Если их взять, то они все разные. Есть, конечно, какие-то паттерны, по которым их можно классифицировать, но в принципе они все разные. Поэтому невозможно создать математическую модель, которая описывала бы всё поведение всех экзопланет, которые могут существовать. Потому что раньше мы даже не понимали, какого типа могут существовать экзопланеты, так как мы основывались на Солнечной системе. Мы думали, что у нас существует определённое количество планет, у других звёзд примерно так же. В основном это каменные планеты близко и газовые планеты далеко, а оказалось, всё наоборот, потому что у некоторых звёзд гиганты близко, каменные планеты далеко, некоторые только из гигантов состоят, в других только каменные планеты, нет никаких гигантов. Оказалось, что и звёзды разные: есть жёлтые карлики, красные карлики. У пульсаров планеты, у больших звёзд планеты, у самых больших звёзд их, конечно, нет, потому что эти звёзды мало живут. А у красных карликов много экзопланет. Ещё эти планеты находятся в разных стадиях эволюции: кто-то только зарождается, у некоторых уже конечные стадии эволюции, то есть они уже устоявшиеся планеты, на них устоявшиеся условия. Плюс ещё звезда влияет на планету, то есть она может обдирать планету, ещё что-то. Составить модель, которая бы говорила, что у этой звезды мы найдем планету – такого нет. Но можно взять все звёзды, посмотреть все их параметры, характеристики этих звёзд, радиальные скорости, посмотреть спектры, которые снимают с этих звёзд, и построить модель, которая может сказать, что у этой звезды, скорее всего, есть планета, мы должны там смотреть. Такое возможно, но опять-таки это будет неточно. Никто не будет искать экзопланету у единичных звёзд, потому что ищут сразу полями. Фотографируют огромный участок неба, 100 тысяч звёзд, и сразу все снимают спектры, или у всех снимают период или строят кривые блеска сразу по всем звёздам. Каждый день снимают все эти 100 тысяч звёзд, и уже у них находят по моделям, по графикам, выуживают планеты. Как-то так это происходит.
Интервьюер: А может ли экзопланета находиться на орбите чёрной дыры, и находили ли такие планеты, если это вообще возможно?
Игорь Тирский: В космосе возможно всё. В принципе, я думаю, планеты у чёрных дыр есть, но стоит заметить, что их ни разу не находили. На данный момент существуют теории, которые говорят, что такие планеты существуют. Что такое чёрная дыра? Чёрная дыра – это завершённый этап эволюции звезды, то есть после того, как звезда превратится в чёрную дыру, она уже не эволюционирует, не развивается дальше. Чёрная дыра будет практически бесконечно существовать во Вселенной, пока не испарится. Если Вселенная ещё так устроена, что чёрные дыры всё-таки испаряются, как говорил Хокинг. И когда она в конце концов испарится, ничего не останется на этом месте. Но по факту она существует, звезда, и у неё может быть планета. И когда звезда взорвалась, превратилась в чёрную дыру, а планета осталась на орбите чёрной дыры. Но существует проблема: планета может быть, в этом ничего такого нет, потому что мы находили планеты около пульсаров. Пульсары – это такой экзотический объект, нейтронная звезда, и около неё нашли планету. Но это значит, что другой экзотический объект вроде чёрной дыры тоже может иметь планету. Но проблема в том, что около чёрной дыры много всего другого. Там есть и газ, и пыль, и само излучение, которое возникает при падении материи в чёрную дыру. Оно не даст возможности пронаблюдать окрестности чёрной дыры. Мы можем наблюдать сверхмассивные чёрные дыры пока, то есть какие-то малые чёрные дыры мы тоже можем наблюдать, но в рентгеновском диапазоне. А сверхмассивные уже в радиодиапазоне. Соответственно, нам нужно взять те же методы, которые у нас есть для оптического диапазона, и перенести их к чёрным дырам. А это будет рентгеновский диапазон, потому что вещество, которое падает в чёрную дыру и которое обращается вокруг чёрной дыры на больших скоростях, начинает излучать рентгеновское излучение. Если там есть планета, то она как-то на это излучение может повлиять. И мы можем скорее всего понять, что там что-то есть, что мешает рентгеновскому излучению. Но чтобы такое наблюдать, нам нужно вывести в космос рентгеновские телескопы, крупные интерферометры, которые смогут наблюдать это всё в рентгеновском диапазоне. Сейчас же такого нет, есть только теоретические предположения. Возможно, в ближайшем будущем найдут экзопланету около чёрной дыры другими методами. Но понятно, что все методы, которые я озвучивал раньше, неприменимы к чёрным дырам, потому что чёрную дыру не видно, видно только вещество вокруг чёрной дыры, окрестности вокруг неё. И судить по тому, что в окрестностях происходит, очень сложно, потому что там всё очень быстро меняется. Эта сильно изменчивая среда вряд ли подходит нам для того, чтобы наблюдать какой-то довольно стационарный физический объект, потому что если там всё меняется, то мы не сможем понять на таком большом расстоянии, есть ли там планета или нет, так как всё вращается вокруг чёрной дыры с очень большими скоростями, близкими к световым.
