Ученые уже больше ста лет ищут экзопланеты — то есть планеты, располагающиеся за пределами Солнечной системы. И это достаточно сложная задача: так, даже планеты нашей Солнечной системы за Сатурном (то есть Уран, Нептун и карликовая планета — Плутон) были открыты «на кончике пера»: то есть сначала по гравитационным аномалиям в движении других планет были рассчитаны орбиты новых планет, и только потом, по этим данным, их смогли наблюдать визуально, в телескопы. Причины этого понятны: планеты светят лишь отраженным светом, приходящим от своей звезды, и к тому же они на порядки меньше звезд, поэтому обнаружить их очень и очень нелегко.
Разумеется, возникает вопрос — если мы даже в собственной системе открыли целых 3 планеты спустя больше чем 300 лет после изобретения телескопа (Плутон открыли вообще относительно недавно — в 1930 году), то как можно найти планеты у звезд, которые даже в самые мощные телескопы видны как светящиеся точки? Всего методов обнаружения экзопланет 6, и среди них есть два основных — это транзитный метод и метод Доплера.
Транзитный метод самый простой: он заключается в том, что планета, которая является непрозрачным объектом, при прохождении линии наблюдатель-звезда уменьшает яркость последней (играет роль своеобразной ширмы):
Это уменьшение яркости можно достаточно легко обнаружить, и, если оно повторяется регулярно, то, с высокой вероятностью, за это ответственна планета. Плюс такого метода очевиден — он очень прост: вам просто нужно несколько лет собирать статистику по яркости звезд и отдельно рассматривать аномалии в яркости. Однако минусов у него хватает, и он серьезные: во-первых, можно обнаружить лишь те планеты, которые проходят через линию наблюдатель-звезда, а таких, очевидно, не очень много, так что от нашего взгляда ускользает большая часть планет. Во-вторых, такой метод ничего не говорит нам о самой планете: ни о ее массе, ни о размерах, ни о составе атмосферы — мы просто получаем факт существования планеты и не более того. Но из-за своей простоты метод становится все более популярным — так, почти 90% экзопланет, обнаруженных в 2014 году, были найдены именно им.
Второй по распространенности метод поиска экзопланет — метод Доплера. Его суть в том, что на самом деле не планета вращается вокруг своей звезды, а звезда и планета вращаются вокруг их общего центра масс:
Но так как массы планет на несколько порядков меньше, то зачастую центр масс системы планета-звезда практически не отличим от центра самой звезды. Но вот в астрофизике «почти» — не считается, и, хотя колебания звезды крайне незначительны, их все же можно засечь, и проще всего это сделать с помощью эффекта Доплера. Его суть заключается в том, что частота волны (любой — звуковой, световой, и т.д.) меняется при движении источника: вспомните звук гудка приближающегося локомотива — он сначала становится выше, а потом, когда локомотив проедет мимо вас, то он наоборот станет ниже. В астрофизике этот эффект помогает узнать, приближается ли к вам объект, или удаляется. Для этого используют смешение линий в спектре: к примеру, на картинке ниже показан спектр звезды сходного с Солнцем класса, которая удаляется от нас — видно, что линии в спектре смещены в красную область:
Таким образом, используя эффект Доплера, можно засечь по изменению спектра колебания звезды из-за наличия у нее планеты. С учетом того, что параметры далеких звезд мы уже умеем определять достаточно точно, то мы получаем множество данных о планете: ее массу, удаленность от звезды и период обращения, что позволяет достаточно четко идентифицировать класс планеты и то, попадает ли она в зону Златовласки (зона обитаемости, в которой вода может существовать в жидком виде). Однако у этого метода есть существенный минус: чтобы засечь колебания звезды, планета должна быть большой и расположена очень близко к звезде, то есть шанс, что на ней будут пригодные для нас условия, достаточно низок.
Также есть несколько других методов, которые действуют в определенных условиях: так, если у пульсара есть планета, то она будет искажать его сигнал. Метод прямого наблюдения хорош для ближайших к нам звезд. Но в общем и целом у большинства методов есть одна существенная проблема: для нахождения у звезды экзопланеты эту звезду нужно наблюдать в телескоп. А это значит, что радиус поиска сужается до нескольких сотен (максимум тысяч) световых лет — на более далеких расстояниях мы не можем уже разглядеть отдельные звезды, что и не дает нам возможности узнать, есть ли у них планеты, или нет. И поэтому до последнего времени мы никак не могли обнаружить планеты у звезд в других галактиках — с учетом расстояний в миллионы и миллиарды световых лет зачастую такие галактики сами выглядят в телескопах как светящиеся точки, ни о каких отдельных звездах тут речи не идет.
Однако есть способ «заглянуть» в другие галактики — он называется гравитационным микролинзированием. Его суть заключается в том, что в нашем мире гравитация воздействует на абсолютно все — в том числе и на свет. Поэтому вблизи массивных объектов (черных дыр, звездных скоплений или галактик) свет искривляется, и, в некоторых случаях, такие галактики могут усиливать свет находящихся за ними объектов, ровно как линза может увеличивать находящиеся за ней объекты. Так что если астрономам повезет наткнуться на такую гравитационную линзу, то это позволяет узнать гораздо больше об объектах, которые мало того, что скрыты от прямого наблюдения (скоплением звезд, которые и работают линзой), но и еще располагаются далеко за преградой.
И в этот раз ученым повезло: с помощью рентгеновской обсерватории Чандра они смогли наблюдать за квазаром (яркое ядро галактики) RX J1131-1231, расположенным на расстоянии в 6 миллиардов световых лет от Земли. Свет от него усиливался галактикой, расположенной на расстоянии в 3.8 млрд световых лет, из-за чего на Земле видны 4 изображения квазара:
Ученые, анализируя рентгенограмму трех изображения квазара, обратили внимание на необычное смещение некоторых линий в спектре, которое может быть объяснено только наличием огромного числа планет в галактике, выступающей линзой. «Это пример того, насколько мощным может быть метод гравитационного микролинзирования. Эта галактика находится на расстоянии 3,8 миллиарда световых лет от нас, и нет ни малейшей возможности наблюдать за этими планетами напрямую, даже с лучшими телескопами, которые только могут представить себе фантасты», — сказал исследователь Эдуардо Гуэрс. На данный момент самые далекие из обнаруженных экзопланет, SWEEPS-04 и SWEEPS-11, находятся на расстоянии в 27710 световых лет от Земли — то есть на пять порядков ближе, чем галактика-линза!
Также расчеты позволили оценить массы и распространенность планет в этой галактике: оказалось, что планеты в ней имеют массы от лунной до юпитерианской, а на одну звезду главной последовательности там приходится в среднем 200 объектов. «Мы очень рады этому открытию. Это первый раз, когда кто-то открыл планеты за пределами нашей галактики», — сказал Синью Дай, профессор факультета физики и астрономии.
