Екзопланета: світ із удвічі більшою масою за Землю, але розміром із Сатурн

Kepler-51b важить приблизно вдвічі більше за Землю, проте роздувається майже до розмірів Сатурна — планети, яка стократно перевищує Землю за масою. Саме така невідповідність між масою та розміром і є причиною того, чому екзопланети — світи, що обертаються навколо інших зірок, аніж Сонце, — продовжують дивувати астрономів, які їх вивчають.

Ще якихось три десятиліття тому жодної планети за межами нашої Сонячної системи не було підтверджено. Сьогодні їх каталогізовано тисячі, і ця кількість продовжує зростати, оскільки космічні телескопи та наземні огляди дедалі точніше ведуть пошук. Цей гід зібрав відкриття, спірні випадки та фізичні закономірності, які роблять екзопланети однією з найжвавіших галузей астрономії.

Перші підтверджені екзопланети зовсім не були затишними, схожими на Землю світами, які обіцяла фантастика. Це були дві планети земної маси, знайдені на орбіті навколо мілісекундного пульсара — колапсованого решту мертвої зорі, що стрімко обертається, — про які у 1992 році оголосили Александер Вольщан і Дейл Фрейл. Пульсари випромінюють радіоімпульси з такою годинниковою точністю, що найменші відхилення в їхньому ритмі видавали гравітацію невидимих супутників.

Через три роки сталося відкриття, яке здавалося більш звичним. У 1995 році астрономи знайшли першу підтверджену екзопланету біля зорі головної послідовності, схожої на Сонце, на тісній чотириденній орбіті навколо 51 Пегаса. Дослідники встановили це за допомогою спектроскопа, достатньо точного, щоб вловити зміни швидкості приблизно у 70 метрів за секунду у світлі зорі — слабке гравітаційне тяжіння планети на орбіті, що змушує зорю коливатися туди-сюди. Саме ця приладова точність, здатна вловити коливання повільніше за швидку ходу, перетворила пошук екзопланет зі здогадок на відтворювану науку.

Не кожна екзопланета вкладається в акуратні категорії, які астрономи побудували на прикладі наших восьми планет. Kepler-51b має лише приблизно вдвічі більшу масу за Землю, проте її об'єм роздувається майже до розмірів Сатурна — планети, яка стократно важча. Планета, настільки пухка порівняно зі своєю масою, повинна мати надзвичайно низьку густину, що вказує на атмосферу, таку розлогу й легку, що вона ледь тримається купи.

Невідповідність маси й розміру трапляється в обидва боки. Серед об'єктів у каталозі екзопланет NASA жодна планета не перевищує за масою HR 2562 b, яка важить приблизно у 30 разів більше за Юпітер — сам по собі найважчий об'єкт нашої Сонячної системи. На протилежному кінці шкали ширше дослідження тисяч екзопланет виявило закономірність не в їхньому розмірі, а в тому, як вони рухаються: великі планети схильні набувати еліптичних орбіт, тоді як менші планети радше обирають шляхи, ближчі до кругових. Ніхто не планує планетну систему таким чином — це просто те, що гравітація й залишкові уламки створюють протягом мільярдів років.

Деякі екзопланети не просто обертаються навколо своєї зорі — вони повільно руйнуються прямо на її очах. Один такий приречений світ, виявлений телескопом Kepler, здійснює оберт навколо материнської зорі лише за 16 годин і тягне за собою кометоподібний хвіст пилу, що википає з його власної поверхні. Астрономи виявили його лише тому, що ця пилова хмара періодично затьмарює світло зорі під час проходження — сигнатура, відмінна від чистих, повторюваних провалів яскравості цілісної планети.

Щоб зафіксувати планету в такому стані, знадобилося одночасне спостереження за величезною кількістю зір — саме для цього і був створений Kepler: телескоп одночасно стежив за понад 145 000 зір, шукаючи короткочасне неглибоке потьмяніння, яке свідчить про транзитну екзопланету. Більшість планет, виявлених таким чином, поводяться звичайно. Ця вирізнялася саме тим, що поводилася інакше.

Серед відкриттів Kepler планета Kepler-452b отримала своє прізвисько не випадково. Вона приблизно на 60 відсотків більша за Землю й обертається навколо зорі типу G2 — того ж широкого класу, що й Сонце, — з тією різницею, що ця зоря вже прожила 6 мільярдів років, тобто на цілих 1,5 мільярда років більше, ніж наше власне Сонце. Джон Дженкінс, керівник аналізу даних Kepler, назвав її «старшим, більшим родичем Землі», який дає змогу науковцям «зрозуміти й осмислити те, як розвивається земне середовище».

Що робить орбіту Kepler-452b примітною, так це те, наскільки звичайною вона виглядає попри більший розмір планети: повний оберт триває 385 днів — лише на 5 відсотків більше, ніж потрібно Землі для одного оберту навколо Сонця. Можна було б очікувати, що настільки більша планета розташується значно далі від своєї зорі, проте ці числа виявляються напрочуд близькими до наших, що нагадує: розмір і орбітальна відстань не завжди зростають узгоджено.

Зрозуміти внутрішню будову планети складніше, ніж просто виявити її, адже жоден телескоп не здатен бачити крізь хмари планети. Лабораторні експерименти заповнюють цю прогалину, відтворюючи руйнівні тиски, що панують глибоко всередині газових гігантів. Стиснення водню у вигляді дейтерію до тиску приблизно у 150 гігапаскалів переводить його з прозорого стану в непрозорий — поріг, що важливий для моделювання того, що відбувається всередині масивних газових гігантів-екзопланет та їхніх родичів у Сонячній системі. Такі результати дозволяють астрономам перетворювати виміряні масу й радіус планети на обґрунтоване припущення про її внутрішню будову, адже дві планети з ідентичними зовнішніми показниками можуть приховувати зовсім різну внутрішню структуру.

Виявилося, що найближча до Сонця зоря має власну планету. Проксима Центавра b, виявлена на орбіті навколо цієї сусідньої зорі, завершує оберт кожні 11,2 земних дні на відстані лише близько 0,04848 а.о. — тісніше, ніж орбіта Меркурія навколо Сонця. Саме така близькість до своєї зорі підтримує температуру планети достатньо високою, щоб становити інтерес, попри те, що вона обертається навколо значно тьмянішої зорі, ніж Сонце.

Трохи далі в пошуках близьких планетних систем TRAPPIST-1 приніс зовсім інший тип відкриття. Її планетну систему виявила у 2016 році команда під керівництвом бельгійського астронома Мішеля Жийона, використовуючи спостереження з обсерваторії Ла-Сілья в Чилі, що виявило компактну родину планет, згуртованих навколо маленької прохолодної зорі. Виявлення цілої системи в межах однієї кампанії, а не однієї планети за раз, змінило те, як астрономи планують майбутні огляди.

Кожна з розглянутих досі екзопланет належить нашій власній галактиці. Ця межа трималася доти, доки дослідники не поєднали рентгенівську обсерваторію NASA Chandra з технікою мікролінзування, спостерігаючи за далекою галактикою-квазаром у пошуках слідів невидимих планет, що викривляють її світло. Аналіз виявив свідчення приблизно 2 000 позагалактичних планет на кожну зорю за межами Чумацького Шляху. Це були перші дані, що вказали: наша власна галактика — лише один острів серед кількості екзопланет, яка перевищує трильйон, якщо поглянути за її межі, — число настільки величезне, що перетворює окремі планети радше на статистичний фоновий шум, аніж на дискретні об'єкти для каталогізації одна за одною.

Прилади, створені для того, щоб вловити коливання однієї зорі чи потьмяніння однієї кривої блиску, ніколи не проєктувалися з розрахунком на трильйон планет. Те, що ті самі принципи виявлення — крихітні гравітаційні й оптичні викривлення — масштабуються від окремої зоряної системи до цілої галактики планет, свідчить не лише про винахідливість методів, а й про те, наскільки поширеними виявляються планети.

Власне обладнання Kepler ілюструє, наскільки висока точність потрібна для цих пошуків. Його головне дзеркало мало діаметр 1,4 метра, і на момент запуску Kepler жоден інший телескоп, що літав за межами земної атмосфери, не мав більшого — рекорд, який космічна обсерваторія Herschel перейняла лише кілька місяців по тому. Побудова настільки великого приладу й спрямування його на ту саму ділянку неба протягом років були платою за фіксацію слабких, повторюваних транзитів, що виявляють планету розміром із Землю.

Кожне покоління науки про екзопланети спиралося на попереднє: хронометраж пульсарів поступився зоряним коливанням, зоряні коливання поступилися транзитній фотометрії, що одночасно спостерігає за сотнями тисяч зір, а транзитна фотометрія тепер сягає навіть галактик за межами нашої власної. Наступний сюрприз — чи то планета, дивовижніша за Kepler-51b, чи докази, що переосмислять уявлення про те, наскільки поширені планети насправді, — імовірно, вже приховується в даних, що чекають на аналіз.

• ScienceDaily: Under Pressure, Hydrogen Offers a Reflection of Giant Planet Interiors
• NASA: Kepler Mission Discovers Bigger, Older Cousin to Earth
• Phys.org: Evaporating Exoplanet Stirs Up Dust
• National Geographic: New Discovery Says Exoplanets May Exist Outside the Milky Way Galaxy
• Wikipedia: Exoplanet
• Wikipedia: 51 Pegasi b
• Wikipedia: Kepler space telescope
• Wikipedia: Proxima Centauri b
• Wikipedia: TRAPPIST-1