Экзопланеты
и коричневые
карлики

В предыдущей главе светящаяся точка стала звездой с температурой, радиусом и массой. Теперь нужно заметить рядом с этой звездой объект, который почти не светится сам. Обычно планета не появляется на снимке. Она лишь чуть меняет уже знакомый звёздный сигнал.

Первые подтверждённые планеты за пределами Солнечной системы нашли в 1992 году не у обычной звезды, а у пульсара PSR B1257+12. Пульсар посылает чрезвычайно ровные радиоимпульсы. Планеты заставляют его обращаться вокруг общего центра масс, и путь каждого импульса до Земли периодически становится немного длиннее или короче. Из отклонений в расписании восстановили несколько орбит. Это были первые надёжные экзопланеты, хотя система у остатка взорвавшейся звезды совсем не похожа на нашу.

В 1995 году Мишель Майор и Дидье Кело обнаружили 51 Пегаса b — первую подтверждённую планету у звезды солнечного типа. Спектральные линии звезды двигались туда и обратно с периодом около 4,2 суток. Сигнал означал, что рядом обращается тело примерно с половину массы Юпитера, причём гораздо ближе к своей звезде, чем Меркурий к Солнцу. Такой горячий юпитер противоречил привычному ожиданию: гиганты должны были рождаться далеко от звезды. Наблюдение не показало готовую картинку нового мира; оно заставило переделывать теорию формирования и миграции планет.

К сентябрю 2026 года архив NASA содержал более 6300 подтверждённых экзопланет. Это не 6300 одинаково подробных биографий. Для одной известны только период и минимальная масса, для другой — радиус, масса и несколько молекул в атмосфере. Каталог объединяет результаты разных методов, а каждый метод выбирает из Галактики собственный, сильно смещённый набор миров.

Тень сообщает размер, но сначала нужно измерить звезду

Если орбита повёрнута почти ребром к нам, планета иногда проходит по диску звезды и закрывает часть света. Такое прохождение называют транзитом. Глубина падения блеска приблизительно равна отношению площадей дисков: квадрату отношения радиуса планеты к радиусу звезды. Юпитер перед Солнцем убрал бы около одного процента света, Земля — лишь примерно 0,008 процента.

Телескоп измеряет не радиус планеты, а долю потерянного света. Чтобы перевести её в километры или радиусы Земли, нужен радиус звезды — результат отдельной цепочки из параллакса, спектра, температуры, светимости и звёздной модели. Ошибка в размере звезды переходит в размер планеты. Форма входа и выхода из транзита уточняет геометрию орбиты, но пятна на звезде, соседняя звезда в том же пикселе и медленный дрейф прибора способны исказить кривую.

Один провал почти ничего не доказывает. Повторение через одинаковые интервалы даёт период, а одинаковая форма поддерживает планетную интерпретацию. Затем проверяют, не является ли источник затменной двойной звездой на заднем плане. Kepler долго смотрел на одно поле и находил периодичность; TESS осматривает почти всё небо и особенно полезен для близких ярких звёзд, пригодных для последующих измерений.

Планета тянет звезду, а спектр измеряет движение

Планета и звезда обе обращаются вокруг общего центра масс. Звезда проходит гораздо меньшую орбиту, но её движение вдоль луча зрения сдвигает все спектральные линии: к синему, когда звезда приближается, и к красному, когда удаляется. Этот метод называют методом лучевых скоростей. Период повторения даёт период орбиты, форма кривой — её эксцентриситет, а амплитуда зависит от массы планеты и массы звезды.

Здесь тоже измерение не равно готовому параметру. Спектр сообщает только составляющую скорости вдоль луча зрения. Если наклон орбиты неизвестен, получается не истинная масса, а нижняя граница M sin i. Почти повернутая к нам «сверху» орбита может скрывать намного более массивного спутника. Транзитная система удобна именно потому, что её наклон близок к 90 градусам: тогда sin i почти равен единице.

Соединив транзит и лучевую скорость, получают радиус и массу, а из них — среднюю плотность. Высокая плотность согласуется с преобладанием камня и металла; низкая требует большой доли воды, водорода и гелия либо очень раздутой горячей атмосферы. Но плотность не является рентгеновским снимком недр: разные смеси веществ могут дать одно число. Кроме того, пятна, грануляция и магнитные циклы звезды тоже двигают и деформируют спектральные линии, поэтому сигнал планеты отделяют от поведения самой звезды.

Каждый метод видит собственную Вселенную

Транзит возможен только при удачной ориентации и повторяется чаще у коротких орбит. Большая планета закрывает больше света. Поэтому транзитные обзоры особенно легко находят крупные близкие к звезде миры, хотя из этого не следует, что вся Галактика заполнена именно ими. Лучевые скорости тоже сильнее реагируют на массивные тела и короткие периоды. Чтобы оценить настоящую распространённость планет, астрономы моделируют вероятность обнаружения и учитывают пропущенные объекты.

При прямом изображении главная трудность противоположна: нужно отделить слабый свет планеты от ослепительной звезды. Коронограф закрывает центральный свет, адаптивная оптика исправляет земную атмосферу, а обработка вычитает известный рисунок телескопа. Остаётся не глобус с материками, а слабая инфракрасная точка. Метод предпочитает молодые, ещё горячие гиганты на широких орбитах, где угловое расстояние от звезды достаточно велико.

Гравитационное микролинзирование использует случайное выравнивание. Ближняя звезда изгибает свет далёкой фоновой звезды и ненадолго усиливает её блеск; планета возле линзы добавляет короткое отклонение к основной кривой. Так находятся холодные планеты далеко от своих звёзд и даже кандидаты в свободно летящие миры. Но выравнивание обычно не повторяется. Отношение масс и геометрия хорошо читаются из формы события, тогда как абсолютные массы и расстояния могут зависеть от дополнительных наблюдений и модели движения.

Новые классы появились раньше новых карт

В Солнечной системе легко провести грубую границу: четыре небольшие каменные планеты, затем четыре гиганта. Экзопланеты заполнили промежутки. Суперземлёй обычно называют мир крупнее или массивнее Земли, но меньше Нептуна; слово не обещает ни океана, ни земной поверхности. Мини-нептун — близкий по размерам объект с заметной оболочкой из лёгких газов. Граница между этими рабочими названиями зависит от того, известны ли масса, радиус и атмосфера.

Распределение радиусов всё же не гладкое. Среди близких к звёздам небольших планет сравнительно мало объектов примерно между 1,5 и 2 радиусами Земли — наблюдается «долина радиусов». Одна группа моделей связывает её с потерей первичной водородно-гелиевой оболочки под действием рентгеновского и ультрафиолетового излучения молодой звезды. Миры чуть массивнее удерживают газ и остаются мини-нептунами; менее массивные обнажают плотное ядро. Это проверяемая популяционная картина, а не правило для каждого отдельного тела.

Горячие юпитеры показали, что гигант способен переместиться внутрь после рождения. Известны сверхгорячие каменные миры с годом короче суток, планеты у двойных звёзд и системы, где несколько тел умещаются внутри орбиты Меркурия. Знакомые названия помогают сравнивать, но не образуют строгую таблицу видов. Планета — результат истории диска, столкновений, миграции и потери атмосферы, а одинаковый нынешний радиус может скрывать разные истории.

Атмосфера возникает как разность двух спектров

Во время транзита непрозрачный диск планеты закрывает звезду, а тонкое кольцо атмосферы пропускает часть света. Молекулы поглощают определённые длины волн, поэтому на них планета кажется чуть крупнее. Астроном сравнивает спектры до транзита, во время него и после, устраняет дрейф прибора и поведение звезды, а затем подбирает модели состава, температуры и облаков.

Спектр WASP-39 b показал заметную полосу углекислого газа около 4,3 микрометра. Белые точки на графике — измеренные значения с полосами неопределённости; синяя линия — модель, которая одновременно учитывает множество длин волн. Совпадение формы полосы с лабораторной физикой поддерживает присутствие CO₂. Оно не превращает график в точный рецепт атмосферы: облака, вертикальная температура и доли других газов могут давать частично похожие изменения.

Для небольшого каменного мира сигнал намного слабее, а поверхность звезды становится особенно важной. Непересечённые планетой пятна и горячие области способны оставить собственный цветовой отпечаток. Иногда атмосферы нет вовсе. Поэтому сообщение о молекуле должно включать значимость, альтернативные модели, повторные наблюдения и независимый прибор, а не только красивое название вещества.

Обитаемая зона — условие задачи, а не ответ

Обитаемая зона — диапазон расстояний, где при подходящей атмосфере на поверхности могла бы сохраняться жидкая вода. В определении уже спрятаны условия. Венера и Земля почти одинаковы по размеру, но атмосферы привели их к разным состояниям; Марс напоминает, что мир может потерять значительную часть воздуха. Масса, давление, облака, вращение, магнитная активность и история звезды не исчезают после вычисления орбиты.

Особенно трудно с красными карликами. Их зона жидкой воды расположена близко, поэтому транзиты происходят чаще и глубже. Но тесная орбита усиливает приливные эффекты, а молодая активная звезда облучает атмосферу ультрафиолетом и рентгеном. Система TRAPPIST-1 удобна для проверки методов именно потому, что семь небольших планет многократно проходят перед маленькой звездой; удобство наблюдения не делает их автоматически обитаемыми.

Потенциальная биосигнатура — вещество или сочетание признаков, которое могло возникнуть при участии жизни, но требует проверки небиологических объяснений. Кислород способен накапливаться без организмов, метан возникает геологически, а вода встречается в атмосферах слишком горячих гигантов. Сильный вывод потребует контекста всей планеты и звезды, нескольких молекул, климата и повторных наблюдений. Пока жизнь надёжно известна только на Земле.

Три границы не обязаны совпасть

Число около 13 масс Юпитера часто называют границей планеты и коричневого карлика: в моделях возле этой массы ядро ненадолго становится достаточно горячим для слияния дейтерия, тяжёлой разновидности водорода. Но точное значение зависит от химического состава, доли сгоревшего дейтерия и принятого критерия. Это удобный ориентир, а не резкая природная стенка. Длительное горение обычного водорода начинается лишь примерно у 75–80 масс Юпитера, тоже с некоторой зависимостью от состава.

Формирование даёт другую границу. Планета обычно собирается в диске вокруг звезды, а коричневый карлик возникает при собственном коллапсе облака. Однако историю рождения нельзя прочитать непосредственно на старом объекте, и процессы могут перекрываться. Массивный спутник звезды мог сформироваться как второй компонент двойной системы; свободно летящий объект планетной массы мог родиться отдельно или быть выброшен из системы.

Радиус почти не помогает. У газового гиганта, коричневого карлика и самой маломассивной звезды он остаётся порядка радиуса Юпитера: добавленная масса сильнее сжимает электронное вещество вместо того, чтобы сильно раздувать шар. Поэтому масса, возраст, спектр, орбита и окружение нужны вместе. Название здесь является кратким итогом происхождения и физики, а не показанием одного весового датчика.