Урок 7. Солнечная система и поиск экзопланет

Астрономия · ~35 минут

Мы измерили Землю, Луну, Солнце и звёзды. Осталось собрать всё вместе — окинуть взглядом нашу Солнечную систему и сделать самый дерзкий шаг: заглянуть к другим звёздам и найти планеты у них. Ещё в 1990 году мы не знали ни одной планеты за пределами Солнечной системы. Сегодня их известно больше пяти тысяч. Причём почти все они не видны напрямую — их вычислили хитрыми методами. Разберём эти методы в финальном уроке.

🎯 Что ты узнаешь

• Чем планеты земной группы отличаются от газовых гигантов.
• Как ловят экзопланеты транзитным методом (по падению яркости).
• Как метод лучевых скоростей выдаёт планету по «покачиванию» звезды.
• Соберёшь весь курс в итоговых задачах.

📖 Разбираемся в теме

Две семьи планет

Планеты Солнечной системы делятся на две непохожие группы.

Планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс): маленькие, каменистые, плотные, близко к Солнцу, мало спутников или совсем нет.

Газовые гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун): огромные, состоят в основном из газа (водород, гелий) и льдов, далеко от Солнца, много спутников и кольца.

💡 Проверь по 3-му закону Кеплера (T² = a³): для Юпитера a = 5,2, a³ ≈ 141, √141 ≈ 11,9 года. Точно! Весь урок 5 работает и здесь.

🤔 А знаешь ли ты? Юпитер настолько массивнее остальных, что его масса больше суммы всех остальных планет в 2,5 раза. Но даже он в тысячу раз легче Солнца. Солнце — это 99,8% всей массы Солнечной системы.

Как найти планету у чужой звезды

Планета не светится сама, а рядом сияет звезда в миллиарды раз ярче. Разглядеть планету — всё равно что заметить комара рядом с прожектором за тысячи километров. Поэтому чаще ищут косвенно — по тому, как планета влияет на звезду.

Транзитный метод: планета затмевает звезду

Если орбита экзопланеты видна нам «с ребра», планета периодически проходит перед диском звезды (транзит) и чуть-чуть загораживает свет. Яркость звезды на время слегка падает — и снова возвращается. По регулярности провалов находят период обращения, а по глубине провала — размер планеты.

Насколько падает яркость? Планета закрывает долю диска звезды, равную отношению площадей: $$\frac{\Delta L}{L} = \left(\frac{R_{\text{пл}}}{R_{\text{зв}}}\right)^{2}.$$ Например, Юпитер (R ≈ 0,1 R☉) закрыл бы $(0{,}1)^2 = 0{,}01 = 1%$ солнечного диска. Земля — всего $(R_{\oplus}/R_\odot)^2 \approx (1/109)^2 \approx 0{,}008%$. Ловить такие крошечные провалы умеют космические телескопы (Kepler, TESS).

📌 Запомни: глубина транзита = квадрат отношения радиусов планеты и звезды. Большие планеты у маленьких звёзд заметить легче всего.

Метод лучевых скоростей: звезда покачивается

Тяготение взаимно (урок 5): не только звезда держит планету, но и планета тянет звезду. Оба тела кружат вокруг общего центра масс, и звезда описывает маленький кружок — слегка «покачивается».

Это покачивание не видно глазом, но заметно по спектру: когда звезда чуть движется к нам — линии смещаются к синему, от нас — к красному (эффект Доплера из урока 6!). Периодическое дрожание линий выдаёт невидимую планету, а по величине сдвига оценивают её массу.

💡 Именно так в 1995 году Мишель Майор и Дидье Кело нашли первую планету у солнцеподобной звезды — 51 Пегаса b. В 2019-м за это дали Нобелевскую премию по физике.

⚠️ Оба метода лучше всего замечают большие и близкие к звезде планеты: они и звезду сильнее раскачивают, и транзиты у них глубже и чаще. Поэтому первыми открыли «горячие юпитеры» — гиганты на тесных орбитах. Маленькие землеподобные планеты искать труднее.

Два метода дополняют друг друга

• Транзит даёт размер планеты (по глубине провала).
• Лучевые скорости дают массу (по амплитуде покачивания).
• Вместе — плотность, а значит, ответ: каменная планета или газовая? Есть ли шанс на твёрдую поверхность и воду?

📌 Запомни: ни один метод сам по себе не даёт полной картины. Наука о планетах — это сложение улик из разных наблюдений, как весь наш курс: каждый метод меряет своё, а вместе они рисуют устройство Вселенной.

✍️ Разбор примера

Задача. У звезды радиусом R☉ проходит транзит планеты, и яркость падает на 1%. Оцени радиус планеты (в радиусах Юпитера, если R_Юп ≈ 0,1 R☉).

Решение. Глубина транзита: $$\frac{\Delta L}{L} = \left(\frac{R_{\text{пл}}}{R_{\text{зв}}}\right)^{2} = 0{,}01.$$ Извлекаем корень: $$\frac{R_{\text{пл}}}{R_{\text{зв}}} = \sqrt{0{,}01} = 0{,}1.$$ Значит, радиус планеты ≈ 0,1 R☉, то есть примерно один радиус Юпитера. Это типичный «горячий юпитер». Обрати внимание: падение яркости всего в 1% уже соответствует планете-гиганту — вот почему нужны очень точные приборы.

📝 Задачи

1. Раздели планеты на две группы и назови по 3 отличия земной группы от газовых гигантов.
2. По 3-му закону Кеплера (T² = a³) проверь период Сатурна (a = 9,58 а.е.) и Нептуна (a = 30,1 а.е.). Сравни с таблицей урока.
3. Экзопланета размером с Землю (R ≈ 0,009 R☉) проходит перед звездой размером с Солнце. На сколько процентов упадёт яркость? Почему такие транзиты трудно ловить?
4. Транзит планеты у звезды даёт падение яркости 4%. Радиус звезды равен R☉. Оцени радиус планеты в радиусах Юпитера (R_Юп ≈ 0,1 R☉).
5. Планета вызывает транзиты каждые 3,5 суток. Оцени по 3-му закону Кеплера радиус её орбиты в а.е. (считай, что звезда как Солнце: T² = a³, T в годах). Ближе или дальше Меркурия она к своей звезде?
6. Объясни своими словами, почему метод лучевых скоростей использует эффект Доплера. Что именно «дрожит» в спектре звезды?
7. Итог курса. Расставь по возрастанию расстояния (в метрах, порядком величины): радиус Земли, до Луны, до Солнца, до ближайшей звезды, поперечник Галактики. Для каждого назови метод, которым его измерили в этом курсе.
8. Итог курса. Ты нашёл(нашла) экзопланету: транзит даёт радиус 1,2 радиуса Юпитера, лучевые скорости — массу примерно как у Юпитера. Плотность будет больше или меньше юпитерианской? Что это подсказывает о составе планеты? (Плотность ~ масса / объём, объём ~ R³.)