История всего. 14 миллиардов лет космической эволюции. - Нил Деграсс Тайсон

затем уменьшается ниже среднего, снова возрастает и эти изменения продолжают циклически повторяться, то совершенно справедливо следующее: изменения скорости обусловлены гравитационным влиянием планеты, движущейся по орбите вокруг звезды, притягивающей ее сначала немного к нам, а затем немного отталкивающей от нас. Если это так, то продолжительность цикла изменений будет равна периоду обращения планеты вокруг звезды. Дополнительную информацию астрофизики могут почерпнуть из сведений о звездах, вокруг которых вращаются эти планеты. Детально исследуя спектры звезд от самых тусклых и наименее массивных, обладающих лишь одной десятой массы Солнца, до самых ярких и самых массивных, которые во многие десятки раз больше Солнца, астрофизики могут определить количество излучаемой ими энергии. Узнав массу звезды, а также период обращения планеты, можно вычислить среднее расстояние между ними. В любом случае чем массивнее звезда, тем быстрее должны двигаться планеты, чтобы удержаться на орбите, и чем дальше от звезды находится планета, тем больший период обращения она будет иметь, как это происходит в Солнечной системе.

Еще больше информации астрофизики могут получить из графика изменений, вызванных эффектом Доплера. По этому графику они могут определить формы орбит вращения планеты и звезды вокруг общего центра масс. Формы орбит остаются идентичными, хотя их размеры обратно пропорциональны массам объектов. Круговые орбиты создают равномерное синусоидальное изменение, в то время как удлиненные орбиты смещают пики и впадины в ту или иную сторону, и эти смещения тем больше, чем более вытянуты орбиты.

Но еще более важная информация сосредоточена в данных, описывающих доплеровский танец звезды и ее планеты. Зная массу звезды, астрофизики могут сделать вывод о массе планеты, вращающейся на любом заданном расстоянии. Скорость удаления или приближения звезды меняется из-за силы гравитации планеты, действующей на звезду, а величина изменения зависит от массы планеты и ее расстояния до звезды. Когда расстояние известно, масса планеты определяется быстро, но с оговоркой. Астрофизики не могут знать наверняка, смотрят ли они на орбиту планеты с ребра или, что более вероятно, под некоторым углом, когда планета находится «выше» луча зрения на звезду на одной половине своей орбиты и «ниже» — на другой. В этом случае астрофизики фиксируют лишь часть полного влияния планеты на движение звезды. В результате массы планет, которые они выводят из максимальных изменений скорости звезды, оказываются меньше истинных, которые можно определить только том случае, если плоскость орбиты планеты строго параллельна нашему лучу зрения.

Разумно предположить, что величина угла наклона плоскости орбиты конкретной планеты к нашему лучу зрения имеет случайное распределение, а значит, средняя планетарная масса, полученная из наблюдений за скоростями звезд с использованием эффекта Доплера, равна лишь половине фактической средней массы. Обычно мы не знаем, орбиты каких планет наклонены больше или меньше. Но, на счастье, в меньшинстве случаев, когда планета действительно проходит транзитом через свою звезду, мы можем быть уверены, что наблюдаем полное влияние эффекта и вычисленная масса равна фактической. О таких экзопланетах, обнаруженных с применением методов наблюдения за транзитами и эффектом Доплера, астрофизики имеют наиболее полную информацию.

Зная количество энергии, излучаемое звездой, и расстояние от нее до планеты, астрофизики в дополнение к размеру, массе, форме орбиты и периоду обращения планеты могут рассчитать и температуру на ее поверхности. Также множество тщательных измерений помогло обнаружить звезды, вокруг которых вращается несколько планет. Каждая из них может иметь свой собственный транзит или вносить свои возмущения в эффект Доплера, характеризующий движение звезды. Применение статистических методов вычислений позволяет выстроить из хаоса сведений стройный порядок и раскрыть полный состав планетной системы. К настоящему времени астрофизики обнаружили более 800 систем, содержащих по две и более экзопланеты. В одной из них, подобно нашей Солнечной системе, имеется восемь планет, в другой — семь, а еще шесть имеют по шесть планет.

Когда мы пытаемся проанализировать данные о тысячах найденных экзопланет, чтобы продвинуться в поисках внеземной жизни, наши представления о диапазоне их масс, размеров, периодов орбит и температур на поверхности дают прекрасную основу для предположений. Конечно, мы не можем утверждать, что имеем представительную выборку данных о планетах в галактике Млечный Путь. Каждый из четырех основных методов неизбежно вносит свою систематическую ошибку. Метод прямого наблюдения позволяет обнаруживать крупные планеты, находящиеся на сравнительно больших расстояниях от звезд. Гравитационное линзирование успешнее обнаруживает планеты с большими массами, независимо от их удаленности от своих звезд. Метод транзитов хорош для обнаружения больших планет с короткими периодами обращения и совершенно не годится для планет с периодами обращения по десять и более лет, а метод поиска экзопланет путем наблюдения за эффектом Доплера в движениях звезд более эффективен, когда звезда имеет близкие к ней планеты с большой массой.

Полностью осознавая недостатки каждого из методов, астрофизики тем не менее пришли к важным обобщениям относительно экзопланет. Самое очевидное и значимое — их много. Вполне возможно, что звезд с планетами больше, чем тех, которые не имеют планет. Даже у самой близкой к Солнцу звезды, красного карлика по имени Проксима Центавра, который является частью звездной системы Альфа Центавра, хоть и находится в некотором отдалении от двух звезд-соседок, есть своя планета. Следующим наиболее примечательным и важным моментом является широкий диапазон размеров, масс и периодов обращения планет, а также расстояний между планетами и звездами. Существуют планеты с диаметром менее 1/3 земного (и, скорее всего, только наши ограниченные возможности не позволяют найти планеты еще меньших размеров) и в восемь раз больше Юпитера. Некоторые имеют массу менее 1/10 000 массы Земли, а массы других в десятки раз превышают массу Юпитера (которая равна 318 массам Земли). Некоторым экзопланетам требуется всего 40 минут, чтобы совершить оборот вокруг своей звезды, а другим — сотни лет. В связи с этим некоторые из них имеют орбиты с диаметром всего в 1/350 от диаметра орбиты Земли, в то время как другие движутся по орбитам, сравнимым с орбитой Нептуна или даже больше.

К слову, самый распространенный тип экзопланет среди тех 4000, которые были обнаружены первыми (3/4 из них открыты с помощью метода транзитов), оказался совершенно непохожим на планеты Солнечной системы! Астрофизики называют планеты этого типа «суперземлями», тем самым подчеркивая, что они значительно больше Земли, но меньше Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна. Суперземлям, большинство из которых примерно в два раза больше нашей планеты, обычно требуется всего несколько месяцев, чтобы совершить оборот вокруг своей звезды. Фактически примерно половина всех звезд имеет хотя бы одну планету с периодом обращения не более 100 дней (и Солнце не является исключением из этого правила, потому что Меркурию требуется 88 дней