На планетах рядом с двойными звездами условия для жизни лучше

Открытая два года назад планета, вращающаяся вокруг сразу двух «солнц», немало удивила научный мир и доказала, что аналоги фантастической планеты Татуин из «Звездных войн» действительно существуют.

Позднее были найдены целые планетные системы, вращающиеся вокруг двойных звезд, однако вопрос о том, могут ли они в принципе быть пригодны для жизни, оставался открытым.

Ученые из международного проекта FACom (Группа вычислительной физики и астрофизики) совместно с мексиканскими астрономами доказали, что двойные светила могут в целом быть более благоприятны для возникновения жизни, чем одиночные. Говоря о возможной обитаемости, или так называемой «зоне обитаемости», куда попадают или не попадают экзопланеты, астрономы, как правило, подразумевают количество излучения, получаемого планетой от звезды: там должно быть не слишком жарко и не слишком холодно для существования жидкой воды. Выполнение этого условия зависит главным образом от температуры самой звезды и расстояния до планеты. Однако для наличия на планете мягкого климата необходимого притока тепла мало.

Еще нужна и плотная влажная атмосфера, задерживающая тепло и позволяющая воде выпадать в качестве осадков.

Поэтому для планеты мало родиться на нужном расстоянии от светила — важно уберечь свою газовую оболочку на самых ранних этапах планетной системы, когда пространство вокруг юной звезды пронизано жестким ультрафиолетовым и рентгеновским излучением, сдувающим атмосферы с планет.

Известно, что наличие такого жесткого излучения у молодых звезд связано с их быстрым вращением и большой магнитной активностью. К примеру, если сегодня на диске Солнца астрономы могут заметить лишь несколько темных пятен одновременно, то сложно представить, какова была картина миллиарды лет назад, когда наше светило вращалось в 5 раз быстрее. По мнению астрономов, именно Солнце в далеком прошлом сделало Марс и Венеру непригодными для жизни.

Солнце раздуло атмосферу близкой Венеры, удалив из нее воду, а с легкого Марса просто сдуло его газовую оболочку.

Ученые под руководством Хорхе Сулуаги из Университета Антьокия (Колумбия) считают, что двойные звезды имеют механизм, благоприятствующий возникновению рядом обитаемых планет. Механизм этот прост: двойные звезды формируются из общего протозвездного облака и с момента рождения гравитационно связаны друг с другом. Приливные силы деформируют звезды, выпячивая их ближние бока по направлению друг к другу и останавливая собственное вращение. Благодаря этому вращение звезд с самого начала становится синхронным: двигаясь вокруг общего центра масс, каждое светило смотрит на соседку одной стороной. Точно такой же механизм когда-то заставил нашу Луну навсегда повернуться одной стороной к Земле.

Этот эффект называют приливной синхронизацией, наблюдается он во вращении двойных звезд, астероидов, планет и их спутников.

Выигрыш от рано остановивших свое вращение звезд для планет очевиден: сразу после рождения они получают куда меньше жесткого излучения и имеют все шансы сохранить атмосферу и воду.

В своей работе, опубликованной в журнале Astrophysical Journal , ученые проанализировали условия в шести известных сегодня планетных системах с двумя звездами — Kepler 16, Kepler 34, Kepler 35, Kepler 38, Kepler 47 и Kepler 64 — и пришли к выводу, что по меньшей мере на трех из них есть подходящие для жизни условия, так как одна из звезд синхронизировала свое вращение. А в системе звезды Kepler 35, состоящей из двух солнцеподобных звезд, внутри зоны обитаемости могут находиться минимум две планеты.

В пятом издание своей книги ""Вселенная, жизнь и разум ’’:
""Другими словами, если учитывать достаточно малые значения отношения M2/ M1, то получится, что практически все звезды солнечного типа, либо кратные, либо окружены семьей планет . Если условно положить, что наибольшая масса планеты равна 10 -3 масс Солнца (Юпитер!), то получится, что ~ 10 % всех звезд типа Солнца имеют планетные системы. По нашему мнению, несмотря на сравнительную бедность использовавшегося статистического материала, исследования Абта и Леви являются лучшим из всех существующих обоснованием множественности планетных систем для звезд солнечного типа. ""

Иными словами в те времена считалось, что система может состоять либо из нескольких звезд, либо из одной звезды с планетами. Современные исследования показали, что это предположение ошибочно - в системах из нескольких звезд тоже могут быть планеты. Поэтому в этой части я кратко опишу открытия в этой области.

Существуют два типа таких планетных систем. Первый тип, это когда планеты вращаются вокруг каждой звезды системы. Для наглядности это можно продемонстрировать на следующей схеме:

Буквой P обозначена планета, буквами A и B отдельные звезды звездной двойной. .

Пример такой системы приведен в самом начале, как кадр из фантастического фильма. В нем показана планета (где разворачиваются драматические события с несравненным Вин Дизелем ), которая находится в тройной системе звезд, включающей в себя еще и тесную пару звезд. Периодически на планете происходят продолжительные затмения, вызванные планетами-гигантами с кольцами, обращающимися на орбитах с меньшим и большим периодом обращения, чем у обитаемой планеты, где происходят главные события в фильме.

Схема планетной системы из мира Риддика .

Уже первые открытия экзопланет показали широкое распространение таких систем. Наиболее примечательной из них стала планетная система у звезды , заподозренная еще в 1988 года. Последнее исследование от 2011 года дает следующие параметры системы (в скобках погрешности):
Период планетной системы 903.3(1.5) суток. Эксцентриситет орбиты 0.049(0.034). Минимальная возможная масса (из метода лучевых скоростей) 1.85(0.16) масс Юпитера . Максимальная возможная масса (из астрометрии Гиппарха ) 28 масс Юпитера . Большая полуось орбиты 2.05(0.06) астрономических единиц .
Период обращения звездной двойной 67(1.4) лет, эксцентриситет 0.41, масса главной звезды (вокруг которой найдена планета) 1.4(0.12) массы Солнца , масса второй звезды 0.41(0.02) массы Солнца .
Схематично компактность этой системы можно изобразить на следующей схеме (масштаб сохранен):

Схема известных компаньонов в системе . Взято отсюда .

Наряду с очень низким эксцентриситетом планетной орбиты по сравнению с орбитой второй звезды, многие обращают внимание на похожесть этой системы на ближайшую к нам звездную двойную - Альфу Центавра (в которой также недавно найден планетный кандидат). У Альфы Центавра параметры двойной составляют: большая полуось 23.4 астрономических единиц , эксцентриситет орбит 0.52, период обращения 79.4 года, массы звезд в 1.1 и 0.93 масс Солнца .

Если говорить в общем, в настоящее время обнаружено около полусотни таких систем, преимущественно методом лучевых скоростей . Из-за того, что спектрографам сложно измерять лучевые скорости звезд по отдельности у звездных двойных (обычно таким методом ищут планеты у звезд с разделением больше 2 угловых секунд ), преимущественно открыты планетные системы в широких двойных с расстоянием между звездами в сотни и тысяч астрономических единиц .

Кроме метода лучевых скоростей , в последнее время становиться эффективным поиски транзитов таких планет. К примеру, телескопу Кеплер удалось найти первые планетные системы, у которых вокруг каждой звезды в двойной звездной системы обращаются планеты. У звезды (или Кеплер-132 ) было обнаружено три транзитных планеты с периодами: 6.18, 6.42 и 18.0 дней. Теоретические расчеты показали, что такая система планет не может быть устойчивой, если все три планеты обращаются вокруг одной звезды. Детальное фотографирование этой звезды разрешило загадку:

Измеренное угловое расстояние между звездами составляет 0.9’’ угловых секунд , что соответствует расстоянию между ними в 450 астрономических единиц . Кроме того спектры отдельных звезд показали, что звезды имеют очень близкие лучевые скорости, что является дополнительным доказательством их физической связи. Пока астрономам не удалось установить вокруг какой именно звезды обращаются две транзитные планеты с периодами около 6 и 18 дней, а вокруг какой только одна планета с периодом около 6 дней. Второй такой подобной системой является Кеплер-296 (KOI-1422 ). В ней найдено 5 транзитных планет и аналогично теоретические расчеты говорят, что эта система не может быть устойчивой.

Теперь перейдем ко второму типу планетных систем у двойных звезд . Он состоит из планет, которые обращаются сразу вокруг нескольких звезд. Схематично его можно изобразить так:

Буквой P обозначена планета, буквами A и B обозначены отдельные звезды звездной двойной. .

Исторически первые такие системы были открыты у затменных двойных (системы в которых звезды затмевают друг друга по отношению к земному наблюдателю). Наблюдая такие системы много десятков лет можно с высокой точностью измерять периодичность этих затмений. Если в системе обращается еще и внешняя планета или планеты, то ее гравитация будет вызывать возмущения на периодичность звездных затмений. Первая такая система была опубликована в 2008 году у звезды . Вокруг этой тесной системы, состоящей из красного карлика и белого субкарлика (затмевающих друг друга с периодом всего лишь 3 часа) были обнаружены свидетельства еще двух планет. Их вычисленные периоды обращения составили 9 и 16 лет, а массы 8 и 19 масс Юпитера .

Художественное изображение системы . .

Затем позже было опубликовано еще несколько подобных систем. Метод тайминга затмений звездных двойных имеет низкую чувствительность и обнаруживает системы из массивных планет с большими периодами обращения. К счастью, в последние годы космическому телескопу Кеплер удалось открыть несколько более компактных систем подобного типа. Благодаря высокой точности измерения яркости звезд и большой продолжительности непрерывных наблюдений ему удалось открыть несколько систем, в которых происходят затмения (по отношению к земному наблюдателю) вызванные одновременно, и звездами, и планетами.

Системы, состоящие из транзитных звезд и планет, найденные телескопом Кеплер . В таблице, приведены периоды и эксцентриситеты звездных и планетных орбит. Последний столбец означает отношение периодов обращения планетной орбиты к зоне нестабильности, в которой планеты не могут иметь устойчивые орбиты. Размеры планет в этих системах составляют несколько радиусов планеты Земля . .

Как следует из таблицы, даже большой эксцентриситет звездной орбиты (как у Кеплер-34 ) не гарантирует такой же у близкой планетной орбиты в системе (планетная орбита имеет почти круговую орбиту). Отношение периодов обращения планет и звезд доходит даже всего лишь до 1 к 6 или 1 к 7 (Кеплер-35 и Кеплер-413 ).

Предварительное изучение этих находок позволяет оценить, что встречаемость планет (размером больше 6 радиусов Земли и с периодом обращения до 300 суток) у подобных тесных звезд составляет 4%-28% в случае компланарных орбит (орбиты планет и звезд близки к одной плоскости). Если же орбиты расположены хаотично, то встречаемость может даже достигать 47%. В любом из сценариев эти предварительные оценки превышают оценки встречаемости для подобных планет у одиночных звезд.

В заключение остается отметить, что последние исследования все больше доказывают, что образование планет, в системах из нескольких звезд, происходит не менее эффективно, чем у одиночных звезд. В пользу этого также говорит обнаружение непосредственно протопланетных дисков у двойных звезд.

Изображение пылевых дисков, обращающихся вокруг каждой звезды молодой звездной системы SR24 . Слева изображение телескопа Субару , справа теоретическая интерпретация наблюдений. .

Планеты, вращающиеся вокруг двух или более звезд, могут быть более распространенным во вселенной явлением, чем планеты с одной звездой, пишет www.сайт.

Любители Звездных Войн с теплом на сердце вспоминают момент из фильма, когда задумчивый Люк Скайуокер смотрит на двойной закат, на его родной планете — Татуин. Оказывается, что планеты с двумя солнцами встречаются чаще, чем полагали ученые. Они недавно обнаружили десять таких систем. У ученых даже есть доказательства того, что такие системы более распространены, чем одинарные планета-звезда.

Ученые в течение долгого времени полагали, что большинство звезд имеют одного или двух соседей. Их мучил вопрос, есть ли у этих мульти-звездных систем свои планеты. После запуска телескопа Кеплер в 2009 году астрономы, наконец, получили инструмент для поиска экзопланет в мульти-звездных системах — дальних мирах за пределами Солнечной системы.

Новоиспечённая экзопланета Кеплер-453b находится в 1400 световых лет от Земли. Она вращается вокруг двух солнц, т.е. двоичной звездной системы. Планеты в таких системах называются «вращающимися вокруг двойной звезды» за то, что попадают под влияние двух звезд.

Астрономы обнаружили Кеплер-453b, наблюдая две звезды, которые вращались вокруг друг друга. Свет, исходящий от каждой звезды, был немного серым.

«Эти пятна должны образовываться из-за прохода объекта по орбите» , — объясняет Надер Хагигипур — астроном из Гавайского университета в Маноа. Он был одним из авторов доклада об обнаружении планеты Кеплер-453b в Astrophysical Journal.

14 августа Международный астрономический союз Генеральной Ассамблеей в Гонолулу, Гавайи, опубликовал подробный доклад о планете в двойной звездной системе. Ученые отметили что-то необычное в новой планете вращающейся вокруг двойной звезды. Другие планеты вращаются в той же плоскости, что и их звезды. Это означает, что они проходят перед обеими звездами каждый раз, когда делают полный оборот. Но орбита девятой и десятой планеты наклонена в сравнении с орбитами их солнц.

«Нам очень повезло» , — говорит Хагигипур. Если бы его команда не смотрела на звезду в нужный момент, ученые пропустили бы затемнение и не выявили планету.

То, что они обнаружили еще две планеты, вращающиеся вокруг двойной звезды по необычной плоскости орбиты — означает, что такие системы широко распространены. Хагигипур добавил, что должно быть множество подобных систем, которые пока что не удалось обнаружить.

Ведь если орбита планеты изредка позволяет той пройти между двумя звездами, провал в свете не сразу будет замечен. Следующим шагом для астрономов будет выяснение, как обнаружить подобные экзопланеты. Хагигипур считает, что это проблематично, но возможно. Если планета достаточно большая, ее гравитация влияет на орбиты своих звезд. Астрономы намерены искать крошечные изменения в свете звезд.

«Наиболее известные экзопланеты вращаются вокруг одной звезды» , — отметил Филипп Теобальт — планетарный ученый из Парижской обсерватории во Франции. Он не был вовлечен в открытие двойных систем. В ранних исследованиях уже были обнаружены экзопланеты в системах с несколькими звездами, но ученые находили двойные и тройные звездные системы, где одна планета вращалась только вокруг одной звезды.

Теобальт утверждает, что чем больше двойных и тройных систем будет изучено, тем больше ученые узнают об их механизме работы. По его словам, для лучшего понимания законов вселенной нужно обнаружить еще 50 или 100 систем.

Возможно, именно сейчас на какой-то планете молодой джедай любуется двойным закатом. Это реально, если его родная планета находится в зоне «Златовласки» (безопасной зоне обитания между звездами). Это расстояние от звезды, что позволяет воде быть в жидком состоянии, не испаряясь и не замерзая. Жизнь на Kepler-453b вряд ли возможна, так как эта экзопланета является газовым гигантом. Это означает, что она не имеет твердой поверхности. «Но она может иметь спутники» , — говорит Хагигипур. Поскольку спутник находится в безопасной зоне, там может быть вода, а с ней условия для зарождения жизни.

Планеты, вращающиеся вокруг двух или более звезд, могут быть более распространенным во вселенной явлением, чем планеты с одной звездой, пишет www.сайт. Любители Звездных Войн с теплом на сердце вспоминают момент из фильма, когда задумчивый Люк Скайуокер смотрит на двойной закат, на его родной планете - Татуин. Оказывается, что планеты с двумя солнцами встречаются чаще, чем полагали ученые. Они недавно обнаружили десять таких систем. У ученых даже есть доказательства того, что такие системы более распространены, чем одинарные планета-звезда. Ученые в течение долгого времени полагали, что большинство звезд имеют одного или двух соседей. Их мучил вопрос, есть ли у этих мульти-звездных систем…

Поиск планет у двойных звезд начался в 1980-х гг., даже еще раньше, чем астрономы обнаружили первые свидетельства существования каких-либо экзопланет, т.е, планет вне нашей Солнечной системы. Хотя прохождения в системе двойной звезды могут выглядеть гораздо более сложными, надежда открыть такие планеты питалась простым предположением: если планета действительно обращается вокруг затменной двойной звезды, следует ожидать, что она движется в той же плоскости, что и сами звезды. Другими словами, если с точки зрения земного наблюдателя звезды затмевают друг друга. то и планета, скорее всего, будет затенять одну или обе звезды. Иными словами, предполагается, что орбиты звезд и планеты лежат в одной плоскости, - вполне разумная гипотеза, которую можно было проверить.

Во многих отношениях затменные двойные звезды - именно тот фундамент, на котором выстроена астрофизика звезд. Если направление на наблюдателя лежит в плоскости их орбиты, то звезды на каждом орбитальном обороте проходят друг перед другом, блокируя часть излучения. Точно моделируя, как ослабляется световой поток вовремя затмений, мы можем выяснить размеры и форму звезд, а также геометрию их орбит. Вкупе с другими измерениями мы можем определить их радиусы и массы. Только затменные двойные звезды позволяют надежно измерять массы и радиусы звезд, и эти данные затем используются для оценки физических характеристик одиночных звезд и не затмевающих друг друга звездных пар.

Если звезды в двойной системе находятся очень далеко друг от друга, обращаясь с периодом, скажем, в сотни лет, то они почти не влияют друг на друга и ведут себя так, как будто бы находятся в полном уединении. Планеты могут обращаться вокруг одной из звезд, и в общем случае присутствие второй звезды почти не оказывает на них влияния, Такие планеты называют "планетами одной звезды" или планетами S-класса: в минувшем десятилетии были обнаружены десятки таких планет.
Намного интереснее случай, когда звезды настолько близки друг к другу, что оборот одной вокруг другой занимает всего несколько недель или даже дней. Чтобы планета в такой двойной системе имела стабильную орбиту, она должна обращаться вокруг обеих звезд, а не одной из них. Численные расчеты показывают, что расстояние орбиты планеты от звезд должно быть больше минимальной критической величины. Если орбита будет лежать слишком близко, вращающаяся двойная система нарушит устойчивость орбиты планеты и либо поглотит ее, либо выбросит в галактическое пространство.
Минимальное стабильное удаление планеты примерно в два-три раза больше расстояния между звездами. Планеты такого рода называют «планетами двойной звезды», или планетами P-класса. В то время как планеты, обращающиеся вокруг одиночных звезд и вокруг одной звезды в системах удаленных друг от друга двойных звезд, встречаются весьма часто, ученые заинтересовались, может ли природа создать планетную систему у двойной звезды, в которой планеты обращаются вокруг обеих звезд.
В простейшем случае - одна звезда с одной планетой - прохождения происходят со строгой периодичностью. что значительно облегчает их обнаружение. Но добавьте еще одну звезду, и система из трех тел начнет демонстрировать довольно сложные эффекты. Сложность возникает благодаря тому, что звезды быстро движутся (относительно центра масс системны. - Примеч. пер.), - в отличие от системы с одной звездой, где светило практически неподвижно. Поскольку две звезды расположены намного ближе друг к другу чем к планете, они должны обращаться друг вокруг друга быстрее, чем планета вокруг них, - известный закон Иоганна Кеплера, управляющий движением планет. Таким образом, планета будет проходить перед быстро движущимися объектами и иногда будет пересекать звездный диск раньше, а иногда позже. Хотя эти прохождения точно предсказуемы (если известны массы и орбиты тел), они происходят не периодически. Кроме того, длительность прохождения будет изменяться в зависимости от относительного движения планеты и звезды, которую она закрывает: если они двигаются в одном направлении, время прохождения будет больше, некогда звезда находится на другой половине своей орбиты и движется в противоположную сторону, прохождение будет короче. Эти изменения затрудняют обнаружение планет двойной звезды, но вто же время дают важное преимущество: когда орбита двойной звезды расшифрована, картину изменяющихся моментов и длительности прохождений можно использовать для надежного подтверждения присутствия планеты в двойной системе. Ни одно другое астрономическое явление не демонстрирует подобной картины. Это уникальное свойство планеты двойной звезды - железное свидетельство ее существования.

Как это было в первый раз

Пока технические проблемы в начале 2013 г. не вывели "Кеплера" из игры, он неустанно следил за пятачком неба в поисках характерного ослабления сигнала, вызванного пересечением планетами дисков своих звезд. В ходе этих поисков «Кеплер» открыл также более 2 тыс. новых затменных двойных звезд. Было обнаружено и несколько экзотических систем, включая первую из известных затменную тройную звезду.
В 2011 г. один из нас (Лоренс Дойл) вместе с коллегой Робертом Слоусоном (Robert Slawson), работающим вместе с ним в Институте SETT в Маунтин-Вью, штат Калифорния, заметили дополнительное затмение в системе двойной звезды KJC 12644769. Две звезды затмевали друг друга с периодом в 41 день, но были и три других, необъяснимых затмения. Первые два случились с интервалом в 230 дней, а следующее произошло спустя 221 день - на девять дней раньше, чем ожидалось. Это был как раз тот признак, что указывает на движение планеты вокруг двойной звезды.
Впрочем, это могла быть просто небольшая тусклая звезда, закрывающая часть звезды большего размера: «Кеплер» уже продемонстрировал нам, что такие затменные тройные системы - не что-то исключительно редкое. Слабое затемнение указывало, что объект, возможно имеет небольшой радиус, но звездоподобные объекты, такие как коричневые карлики, тоже не очень велики, и нельзя было сказать суверенностью, что замеченный объект - планета. Необходимо было измерить его массу.

Двойные звезды чрезвычайно разнообразны. Некоторые движутся по огромным замкнутым кольцам своих орбит вокруг общего центра масс, совершая полный оборот за сотни лет. Эти звезды ведут себя так, как будто они изолированы; планета 5-класса может обращаться вокруг каждого члена такой пары, почти не испытывая влияния со стороны второй звезды. Но звезды, расположенные близко одна к другой, могут оборачиваться за несколько недель или даже дней. Многие годы оставалось неясным, могут ли планеты P-класса выжить в условиях хаотически меняющегося гравитационного поля, обращаясь вокруг пары звезд.

ДВА КЛАССА ПЛАНЕТ В ДВОЙНЫХ СИСТЕМАХ

В системе трех тел невидимый спутник двойной системы может выдать свое присутствие двумя основными путями. Представьте себе две звезды, затмевающие друг друга, и относительно большую планету, обращающуюся поодаль вокруг этой парочки. Звезды двойной системы движутся друг вокруг друга, но и центр масс этой пары движется вокруг центра масс системы всех трех тел. Поэтому звезды двойной системы оказываются то немного ближе к Земле, то немного дальше. Когда они расположены дальше, свет звезд идет к нам дольше и затмения наблюдаются немного позже. Когда звезды расположены ближе к нам, затмения наблюдаются раньше. Чем больше масса третьего тела, тем больше эта разница. Циклический эффект, связанный с временем путешествия света, позволяет сделать вывод о присутствии невидимого объекта и оценить его массу, И чем дальше отстоит третье тело от двойной системы, тем больше этот эффект, поскольку дополнительное расстояние, а значит, и задержка во времени, возрастает по правилу рычага. В случае нашей предполагаемой планеты на протяжении приблизительно 230 дней не было поддающихся измерению циклических изменений начала затмений, а это означало, что невидимое тело имеет небольшую массу. Но насколько небольшую?
Влиять на двойную систему третье тело может и непосредственно своей гравитацией. Этот так называемый динамический эффект чаще, чем эффект, связанный со временем путешествия света, используют для изучения объектов, близко расположенных друг к другу. Невидимый спутник слегка изменяет орбиты звезд в двойной системе, а это влияет на моменты начала затмений. Поскольку меньшая из двух звезда приближается к третьему телу ближе, чем большая, ее орбита будет возмущена сильнее. В отличие от эффекта времени путешествия света динамический эффект влияет на моменты затмений более сложным образом.
Один из наших коллег по научной группе, работавшей с телескопом "Кеплер", Дэниел Фабрицкий (Daniel С. Fabryeky) из Чикагского университета отметил, "что объект звездной массы должен сильно влиять на времена затмений, тогда как планета проявит себя намного более слабым, но потенциально поддающимся измерению образом. Что касается нашей системы, в ней динамический эффект должен был проявиться гораздо сильнее эффекта разницы во времени прохождения света. Мы искали и в итоге нашли изменения во времени начала затмений, показавшие, что притяжение звезд (к невидимому телу. - Примеч. пер) и близко не достигало величины, которую создал бы спутник звездной массы.
Мощный финальный аккорд в этом исследовании прозвучал, когда Джошуа Картер (Joshua Л. Carter) из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики построил сложную компьютерную модель системы. Она в точности совпала со всеми данными наблюдений для планеты с массой почти как у Сатурна. Прекрасное совпадение данных наблюдений и моделирования подтвердило существование планеты и дало исключительно точные значения радиусов, масс и орбитальных характеристик системы.

КАК ОБНАРУЖИТЬ ПЛАНЕТЫ ВОКРУГ МНОГОЗВЕЗДНЫХ СИСТЕМ

Двойные звезды - уникально полезные астрономические объекты, легко раскрывающие свои тайны. Если для земного наблюдателя эти звезды при движении по орбитам затмевают друг друга, мы можем многое узнать о каждой из них, измеряя ослабление их яркости во время затмений. Этим можно воспользоваться и для обнаружения планет, обращающихся вокруг двойных звезд. Но заметить планеты не так просто - системы из трех тел могут вести себя очень сложно. Здесь показаны идеализированные версии эффектов, которые ищут астрономы.

В системе затменных двойных звезд каждая звезда на короткое время блокирует свет другой, создавая периодические падения яркости

На что похожи двойные звезды

ОХОТА ЗА ПЛАНЕТАМИ (3 СПОСОБА)

В системе трех тел центр масс двойной звезды обращается вокруг общего центра масс системы трех тел. Поэтому эвеэды будут располагаться то дальше от Земли, то ближе к нам. Дополнительное расстояние означает, что свету требуется больше времени, чтобы достигнуть наших телескопов, поэтому начало и конец затмения немного задерживаются. При уменьшении расстояния затмения наблюдаются раньше.

1. Эффект разницы времени прохождения света

Планеты могут влиять и на движение звезд в двойной системе. Если радиус орбиты планеты относительно мал, она влияет на движение одной (или обеих) звезд. Если же одна из звезд менее массивна, чем другая, ее орбита пройдет ближе к планете, что усилит эффект. Близкие проходы могут менять орбиты двух тел сложным образом. На этом примере притяжение планетой вторичной звезды вызывает более раннее затмение главной, а затмение вторичной начнется позднее.

2. Динамический эффект

Если планета проходит перед звездой, она может заслонить часть излучения звезды. В двойных системах сами звезды движутся. В результате иногда планета проходит перед главной звездой раньше, а иногда позже. Кроме того, если планета и звезда движутся в одном направлении, прохождение будет более длительным, а если в противоположных - более коротким. Этот эффект дает задержку в несколько дней и даже более.

3. Прохождение планеты на фоне двойной звезды

Наша планета Kepler-16Ь стала первой обнаруженной транзитной планетой, движущейся вокруг двойной звезды. Сочетание транзитных и динамических эффектов сделало это открытие неоспоримым. Поскольку с поверхности этой планеты каждая из двух звезд должна выглядеть как наше Солнце. Kepler-16Ь вскоре получила прозвище Татуин в честь вымышленной планеты из киноэпопеи «Звездные войны»: на ней тоже должны наблюдаться двойные восходы и закаты. Научная фантастика стала научным фактом.

Новый класс планет

На первый взгляд Kepler-16b кажется очень странной планетой. Ее орбита проходит пугающе близко от двойной звезды, всего на 9% дальше, чем минимальное критическое расстояние, необходимое для стабильности орбиты. А поскольку в то время это была единственная транзитная планета у двойной звезды, мы стали сомневаться: а вдруг Kepler-16Ь - всего лишь флуктуация?
К счастью, ответ пришел быстро. Работая с Джеромом Оросом (Jerome Л. Orosz) из Калифорнийского университета в Сан-Диего, мы уже занимались поиском планет у двойных, которые не проходят на фоне своих звезд. Они должны встречаться намного чаще, поскольку не требуется, чтобы плоскости орбит планеты и двойной звезды совпадали, что необходимо для наблюдения прохождений. Как уже было сказано, небольшие изменения в моментах начала затмений облегчают поиск таких планет. Мы следовали по этому пути в течение нескольких месяцев и нашли несколько систем-кандидатов. Затем во вторник днем в августе 2012 г, один из нас (Уильям Уэлш) заметил прохождения в одной из двойных звездных систем. Уже через несколько часов Фабрицкий построил компьютерную модель, которая воспроизвела изменения моментов начала и продолжительности прохождений, подтвердив тем самым, что транзитный объект - это планета. Так мы открыли Kepler-34b. Лихорадочно продолжив поиски, буквально на следующий день Орос обнаружил прохождения у другой затменной двойной звезды, которая также дала приют планете - Kepler-35b.
В течение еще нескольких месяцев Орос продолжил работу и открыл Керlег-38Ь, показав, что вокруг двойных встречаются планеты и меньшего размера - типа Нептуна. А затем он открыл систему Kepler-47, содержащую как минимум две планеты, продемонстрировав тем самым. что двойные звезды могут дать приют нескольким планетам. Самая последняя из обнаруженных планет с кратной орбитой, Кер1ег-64Ь (известная также как РН1), была одновременно и независимо открыта студентом Университета Джонса Хопкинса Веселином Постовым (Veselin Rostov) и астрономами-любителями из группы "Охотники за планетами" (Planet Hunters). Эта планета принадлежит четырехкратной звездной системе, что еще больше расширяет многообразие условий, в которых могут формироваться планеты.
Семь уже обнаруженных планет двойной звезды говорят нам, что эти объекты - не столь уж и редкостное явление и что мы открыли новый класс планетных систем. Из геометрических соображений следует, что для каждой обнаруженной транзитной планетной системы существует примерно от пяти до десяти планет, которые мы не видим, поскольку ориентация их орбит не позволяет зафиксировать из нашей точки пространства их прохождение перед двойными звездами. Учитывая, что в результате поиска примерно у 1 тыс. затменных двойных звезд уже обнаружены семь планет, мы можем с уверенностью сказать, что в нашей галактике десятки миллионов планетных систему двойных звезд.
Все до сих пор обнаруженные "Кеплером" транзитные планеты двойных звезд - это газовые гиганты, не имеющие твердой коры, которая позволила бы космонавту стоять на их поверхности и восхищаться двойными закатами. Продолжается поиск твердотельных планет меньшего размера, хотя обнаружить у двойных звезд планеты размером с Землю будет невероятно трудно.
Но даже с таким небольшим набором планет число интересных вопросов продолжает расти. Например, половина из всех открытых «Кеплером» затменных двойных звезд имеют период обращения по орбите менее 2,7 суток, и поэтому мы ожидали, что половина двойных звезд, у которых есть планеты, будут также иметь периоды обращения менее 2,7 суток. Но ни у одной из них нет столь короткого периода обращения: самый короткий период - 7,4 суток. Почему? Мы высказали предположение, "что, по всей видимости, это связано с процессом, некогда сблизившим эти звезды друг с другом.
Кроме того, планеты стремятся обращаться на очень близком расстоянии от своих звезд. Если бы они находились еще немного ближе, их орбиты стали бы нестабильными. Что же заставляет их жить в постоянной опасности? Понимание того, почему планеты двойных звезд располагаются так близко к своему положению нестабильности, поможет нам усовершенствовать теорию формирования планет и эволюции их орбит.
Хотя мы не знаем, почему эти планеты предпочитают столь рискованные орбиты, тем не менее мы поняли теперь одну важную вещь: тот факт, что планеты могут существовать даже на пороге области хаотического движения, говорит нам, что формирование планет происходит активно и повсеместно.

Динамичная зона жизни

Тенденция открытых «Кеплером» планет двойной звезды располагаться вблизи области нестабильности имеет интересные следствия. У исследованных «Кеплером» звезд граница этой области, как правило, расположена вблизи зоны жизни - области вокруг звезды (в данном случае - вокруг двух звезд), где ее излучение поддерживает на поверхности планеты температуру, необходимую для существования жидкой воды. Ближе к звезде - и вода на планете закипит; дальше - и вода замерзнет. А жидкая вода - это необходимое условие для существования жизни, какой мы ее знаем.
Вокруг одиночной звезды зона жизни имеет сферическую форму. В двойной системе каждая звезда имеет собственную зону жизни, которые сливаются в деформированный сфероид, если звезды расположены близко друг к другу, как в случае обнаруженных «Кеплером» планет двойной звезды. По мере того как звезды обращаются друг вокруг друга, результирующая зона жизни также вращается вместе с ними. Поскольку звезды движутся быстрее, чем планеты, зоны жизни поворачиваются быстрее, чем планеты обращаются вокруг своих звезд.

МИРЫ ДВОЙНЫХ ЗВЕЗД

В отличие от Земли, которая имеет почти круговую орбиту вокруг Солнца, расстояние планеты двойной звезды до каждого из своих солнц очень сильно изменяется в течение ее года. Таким образом, времена года на планете, вероятно, сменяют друг друга за несколько недель, по мере того как звезды кружатся друг вокруг друга. Эти климатические изменения, судя по всему, велики и квазирегулярны: «Должно быть, это необузданная стихия», - замечает Орос.
Две из найденных транзитных планет двойной звезды расположены в зоне жизни своих солнц - удивительно большой процент. Правда, нахождение в зоне жизни - условие необходимое, но не достаточное для существования жизни. Например. Луна тоже находится в зоне жизни нашего Солнца, однако она совершенно необитаема, поскольку из-за небольшой массы ее гравитация слишком слаба, чтобы удержать атмосферу. И все же тот факт, что столь значительная доля планет двойной звезды расположена в своих зонах жизни, заставляет задуматься. Какова может быть жизнь и тем более цивилизация на этих планетах при столь резко и быстро сменяющихся временах года?

На основе данных, полученных с помощью телескопа Кеплера, астрономы открыли новый вид планетных систем: с двумя звездами. Данная работа служит подтверждением того, что планеты, вращающиеся вокруг "двух солнц" не являются редкими исключениями, а широко распространены в нашей галактике. Данная работа опубликована сегодня в журнале Nature и была представлена на собрании Американского астрономического сообщества в Остине.

Команде удалось обнаружить две новых планеты, которые вращаются вокруг двойной звездной системы. Подобное явление было впервые открыто в сентябре прошлого года.

Открытые планеты были названы Кеплер-34б и Кеплер-35б.

Обе они вращаются вокруг "бинарной звезды", которая представляет собой гравитационно-связанные звезды, вращающиеся вокруг друг друга. Хотя существование подобных небесных тел, называемых "планетами с кратной орбитой" было предсказано уже давно, они оставались всего лишь теорией, пока команда не открыла Кеплер-16б в сентябре 2011 года. Они прозвали Кеплер-16б "Татуином" из-за ее схожести с планетой с кратной орбитой из киноэпопеи "Звездные войны".

"Мы уже давно знали, что подобные планеты могут существовать в реальности, но их обнаружение было затруднено по некоторым техническим причинам", - сказал профессор астрономии Эрик Форд. "Открытие Кеплер-16б, 34б и 35б, продемонстрировало, что в нашей галактике число планетных систем с двумя звездами исчисляется миллионами".

Эти планеты были открыты методом измерения интенсивности света, которая уменьшалась когда планета проходила между одной из двух звезд и Землей. Кроме того, Кеплер обнаруживал понижение интенсивности света в тот момент, когда одна из звезд закрывала собой другую. Взаимное гравитационное притяжение звезд и планет приводит к отклонению от регулярного графика их движения, что позволяет ученым подтвердить наличие планет и измерить их массу.

Обе планеты являются газовыми гигантами с низкой плотностью. По размерам они сопоставимы с Юпитером, но значительно уступают ему по массе. По сравнению с Юпитером, Кеплер-34 на 24 процента меньше по размерам и на 74 процентов меньше по массе. Полный цикл вращения занимает у него 288 земных дней. Кеплер-35 на 26 процентов меньше по размерам и на 88 процентов меньше по массе, при этом вращается намного быстрей - весь цикл длится всего 131 день.

Астрономы считают, что планеты состоят в основном из водорода и слишком горячи, чтобы быть обитаемыми.

Климат планет с кратной орбитой может быть намного более сложным, из-за того, что дистанция между планетой и каждой из звезд может варьироваться в течение всего орбитального периода", - пояснил Форд. "Что касается Кеплер-35б, то количество падающего на нее света изменяется в пределах 50 процентов в течение одного земного года. А на Кеплер-34б, "летом" солнечного света попадает в 2,3 раза больше, чем "зимой". Для сравнения, в случае с нашей Землей, количество солнечного света варьируется в течение года всего на 6%.

Первоначально в НАСА планировали прекратить прием информации с Кеплера в ноябре 2012 года.

"Астрономы буквально умоляют НАСА продлить миссию Кеплера до 2016 года, ведь он произвел революцию во многих областях, а не только в области планетарных систем", - сказал Форд. "Надеюсь, здравый смысл восторжествует и миссия продолжится".