Тема: Анализ экзопланет в обитаемой зоне

  • Вид работы:
    Диплом
  • Предмет:
    Авиация и космонавтика
  • Язык:
    Русский
  • Формат файла:
    MS Word
  • Размер файла:
    409,37 Кб
Анализ экзопланет в обитаемой зоне
Анализ экзопланет в обитаемой зоне
Вы можете узнать стоимость помощи в написании студенческой работы.
Помощь в написании работы, которую точно примут!

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт математики и естественных наук

Кафедра теоретической физики

Утверждена распоряжением по институту от 27 сентября 2014 г. № 62/1-с

Зав. кафедрой теоретической физики, к. ф.-м. н., доцент

Волкова Валентина Ивановна

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОНАЯ РАБОТА

Анализ экзопланет в обитаемой зоне

Рецензент:

к. ф.-м. н., старший научный сотрудник лаборатории физики звёзд САО РАН,

Бычков Виктор Дмитриевич

Нормоконтролер:

заведующий кафедрой теоретической физики, к. ф.-м. н., доцент

Волкова Валентина Ивановна

Выполнил: студент 4 курса, Физ-б-о-111 группы направления «Физика»

очной формы обучения

Кукота Максим Валерьевич

Научный руководитель:

доцент кафедры теоретической физики, к. ф.-м. н., доцент

Топильская Галина Петровна

Ставрополь, 2015 г.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт математики и естественных наук

Кафедра теоретической физики

Направление 03.03.02 Физика

«УТВЕРЖДАЮ»

Зав. кафедрой теоретической физики

Волкова В.И. _______________

"_____"_____________ 20___ г.

ЗАДАНИЕ НА БАКАЛАВРСКУЮ РАБОТУ

Студент Кукота Максим Валерьевич, группа физ-б-о-111

.Тема «Анализ экзопланет в обитаемой зоне».

Утверждена распоряжением по институту математики и естественных наук от 27 сентября 2014 г. № 62/1-с

.Срок представления работы к защите

"29" мая 2015 г.

.Исходные данные для выполнения работы

1)Литература по методам изучения экзопланет:

.Планетные системы [электронный ресурс] / Транзитные экзопланеты. - Режим доступа: (#"justify">2.Планетные системы [электронный ресурс] / История открытия экзопланет. - Режим доступа: (#"justify">3.Wright, J. T. Gaudi, B. S. Exoplanet Detection Methods // Planets, Stars and Stellar Systems, by Oswalt, Terry D. - 2013. - P. 489.

2)Литература по определению границ обитаемой зоны:

1.Kasting, J., Whitmore, D., Reynolds, R. Habitable Zones Around Main Sequence Stars // Icarus. - 2013. - Vol. 101. - №1. - p. 108-128.

3)Данные об орбитальных и физических характеристиках звезд и планетных систем у этих звезд:

.Планетные системы [электронный ресурс] / Kepler-22, KOI-87, KIC 10593626. - Режим доступа: (#"justify">2.Планетные системы [электронный ресурс] / Kepler-62, KOI-701, KIC 9002278. - Режим доступа: (#"justify">.Планетные системы [электронный ресурс] / GJ 667C. - Режим доступа: (#"justify">4. Содержание бакалаврской работы:

.1 Введение.

.2 Статистические закономерности экзопланет.

.3 Поиск экзопланет пригодных для жизни.

.4 Анализ избранных планет в обитаемой зоне.

.5 Заключение.

.6 Другие разделы бакалаврской работы: содержание, список используемой литературы

Приложение: таблица «Потенциально жизнепригодные экзопланеты»

Дата выдачи задания: 30 сентября 2014 г.

Руководитель работы ________________ Топильская Галина Петровна

Задание к исполнению принял "30" сентября 2014 г. _______________

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт математики и естественных наук

Кафедра теоретической физики

Направление 03.03.02 Физика

КАЛЕНДАРНЫЙ ПЛАН

Кукота Максим Валерьевич

Тема ВКР: «Анализ экзопланет в обитаемой зоне»

Руководитель: доцент каф. теоретической физики, к. ф.-м. н., доцент Топильская Г.П.

№Наименование этапов выпускной квалификационной работыСрок выполнения работыПримечание1Введение.15.09.14 - 01.10.142Общие сведения об экзопланетах03.10.14 - 20.12.143Критерии для выбора звёзд, похожих на Солнце.22. 11.14 - 20.12.144Обитаемая зона: понятие и её границы.25.12.14 - 20.01.155Радиус эффективной земной орбиты. Анализ таблицы жизнепригодных экзопланет.23.01.15 - 14.02.156Анализ планеты Kepler-22 b15.02.15 - 01.03.157Анализ планеты Kepler-62 e03.03.15 - 13.04.158Анализ планеты Gliese 667 C c14.04.15 - 28.04.159Обработка результатов, заключение.29.04.15 - 20.05.1510Оформление и сдача ВКР10.06.15

Научный руководитель ________________________ Г.П. Топильская

Зав. кафедрой____________________________________ В.И. Волкова

«30» сентября 2014 г.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт математики и естественных наук

Кафедра теоретической физики






ОТЗЫВ РУКОВОДИТЕЛЯ

о научно-исследовательской работе студента, выполнившего ВКР

Студент Кукота Максим Валерьевич группа Физ-б-о-111

.Тема ВКР «Анализ экзопланет в обитаемой зоне»

. Заключение о степени соответствия ВКР теме, утвержденной распоряжением по институту: ВКР полностью соответствует теме, утверждённой распоряжением директора института.

. Оценка работы студента над ВКР: за время работы студент проявил себя как ответственный, самостоятельный разбирающийся в теме ВКР. Использовал достаточное количество литературы. Посещал все назначенные консультации.

.Оценка студента как специалиста: студент проявил себя как обладающий компетентными знаниями, позволяющими изучить тему выпускной квалификационной работы.

. Общая характеристика студента: студент ответственный, самостоятельный, дисциплинированный, вдумчивый.

. Замечания руководителя: нет

. Заключение и оценка ВКР: выпускная квалификационная работа соответствует предъявленным требованиям и заслуживает оценки «отлично».

8. Заключение о присвоении квалификации / степени: Студент заслуживает присвоения квалификации «бакалавр».

Доц. каф. теоретической физики, к. ф.-м. н. Топильская Галина Петровна

Подпись руководителя ________________________________________

Дата «____»________2015

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»








НАПРАВЛЕНИЕ

Уважаемый Бычков Виктор Дмитриевич!

ФГАО ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет» направляет Вам на рецензию выпускную квалификационную работу студента Кукота Максима Валерьевича

института математики и естественных наук

Направления 03.03.02 Физика, профиль «Физика Земли и планет»

на тему «Анализ экзопланет в обитаемой зоне».

Рецензию просим предоставить в письменном виде к « 26 » июня 2015 г.

Приглашаем присутствовать на защите ВКР, которая состоится «29» июня 2015 г.

Зав. кафедрой теоретической физики Волкова В.И. ____________

Рецензия на выпускную квалификационную работу

Кукота Максима Валерьевича,

выпускника ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет»

Направление подготовки: 03.03.02 Физика

Тема выпускной квалификационной работы: «Анализ экзопланет в обитаемой зоне»

Дата предоставления выпускной квалификационной работы на рецензию:

«15» июня 2015 г.

Дата возвращения выпускной квалификационной работы: «26» июня 2015 г.

Бычков Виктор Дмитриевич, к. ф.-м. н., старший научный сотрудник лаборатории физики звёзд САО РАН.

Заключение о степени соответствия темы и содержания ВКР заданию:

ВКР полностью соответствует теме, утверждённой распоряжением по институту математики и естественных наук.

Краткая общая характеристика выполненной ВКР (по разделам ВКР):

В первой главе подробно представлены уже имеющиеся статистические данные по экзопланетам. Во второй главе изучено понятие «обитаемая зона», рассмотрены методы определения границ обитаемой зоны. Приведены таблицы планет, попадающих в обитаемую зону. В третьей главе выполнен анализ трех избранных звезд с планетами в обитаемой зоне, сравнение этих планет с Землей.

Степень использования студентом последних достижений науки и техники, Интернет-технологий, периодических изданий:

Студент провел анализ достаточного количества литературы, включающего в себя научные статьи и публикации иностранных авторов, а также интернет-источники.

Достоинства ВКР:

Работа посвящена актуальной теме и основана на самой новейшей научной информации. Студент самостоятельно провел анализ недавно обнаруженных планетных систем у звезд и исследовал эти планеты на жизнепригодность.

Основные недостатки работы, в том числе нарушение нормативных документов:

ВКР не имеет грубых недостатков и ошибок в содержании и оформлении. Вместе с тем,

интересно было бы из всех экзопланет, попадающих в обитаемую зону, выбрать лучшую с точки зрения ее подобия Земле. Это сделано не было.

Заключение и оценка ВКР:

Выполненная работа полностью соответствует требованиям, предъявляемым к ВКР, и заслуживает оценки «отлично»

Заключение (рекомендация) о присвоении квалификации / степени:

Студент заслуживает присвоения степени «Бакалавр» по направлению Физика.

«___»____________2015 г.

Оглавление

Введение

.Статистические закономерности экзопланет

.1Распределение по спектральным классам звёзд

.2Распределение по металличности звёзд

.3Распределение по массам планет

.4Распределение по температурам планет

.5Распределение по орбитальным периодам планет

.6Распределение по эксцентриситетам орбит планет

.7Планетные системы

.Поиск экзопланет пригодных для жизни

.1Критерии для выбора звёзд, похожих на Солнце

.2Классическая обитаемая зона

.3Границы обитаемой зоны

.4Эффективный радиус земной орбиты

.5Экзопланеты в обитаемой зоне

.Анализ избранных планет в обитаемой зоне

3.1Kepler-22 b

.2Kepler-62 e

.3Gliese 667C c

Заключение

Список литературы

Приложение

Введение

Актуальность проблемы: Солнце - не вечный источник энергии. Конечно, ему ещё довольно долго суждено снабжать Землю необходимым ей количеством энергии. Однако известно, что очень медленно, но увеличиваются светимость и радиус Солнца. Вследствие чего неуклонно растёт средняя глобальная температура поверхности Земли. И человечеству рано или поздно придётся либо искать способы создать источник, который сможет генерировать необходимое количество энергии (но уже вне Земли), либо найти планету, аналогичную Земле, но со стабильной родительской звездой.

Если с первым пока проблематично, так как развитие технологий пока ещё не достигло нужного уровня, то для решения второй задачи 7 марта 2009 года был выведен на орбиту вокруг Солнца телескоп «Кеплер». Его миссия заключается в поисках экзопланет, подобных Земле, [1]. В результате работы телескопа было открыто около 4,5 тысяч экзопланет. К сожалению, в июле 2012 года стало известно, что вышел из строя один из четырёх двигателей, а в мае 2013 пришёл в нерабочее состояние второй, в результате чего ориентировка аппарата стала нестабильной. Однако на этом продуктивная деятельность телескопа не заканчивается. Спустя год после поломки, в мае 2014 года стартовала миссия «К2», [2], согласно которой аппарат продолжает наблюдения за яркими звёздами на различных участках в плоскости эклиптики. Вместо третьего двигателя в качестве стабилизатора используется давление солнечного излучения. Но есть одно ограничение: телескоп должен быть постоянно повернут «спиной» к Солнцу. Это уменьшает возможности поиска и изучения экзопланет, но позволяет вести наблюдения за другими небесными объектами.

Если поиски планет у других звёзд - не поиски второго возможного дома, то это возможность найти другие разумные цивилизации. «Кеплер» нашёл множество планет. Но невозможно просто взглянуть на планету и определить наличие жизни на ней. Однако, не всё так плохо. Ожидается, что к 2030 году будет запущен мощный космический телескоп с названием Advanced Technology Large-Aperture Space Telescope, или просто ATLAST, [3]. Благодаря внутреннему коронографу или внешнему устройству блокирования света от звёзд, аппарат сможет описать атмосферу и поверхность экзопланет, размером с Землю на расстояниях до 45 парсек. Располагая данными сведениями, в случае обнаружения биомаркеров (таких как молекулярный кислород, озон, вода, метан) в спектре атмосферы землеподобных планет, можно будет, хоть и косвенно, но подтвердить наличие жизни на других планетах, пусть и примитивной.

Кроме того, законы развития Вселенной определены, и их невозможно изменить. Можно лишь только изучить. И с этой задачей, частично, должен справиться телескоп ATLAST. Ведь помимо поиска следов внеземной жизни, он также будет снабжён функционалом, необходимым для изучения областей формирования звёзд. Также будет возможность проследить сложные взаимодействия между тёмной материей, галактиками и межгалактической средой. ATLAST предоставит огромные возможности наблюдений, поэтому разнообразие или направление его исследований нельзя сейчас точно предсказать. Так же, как, к примеру, создатели телескопа Хаббл недооценивали возможности последнего.

Целью данной работы является проведение анализа нескольких звёзд и их планет в обитаемой зоне.

В соответствии с целью работы, были поставлены несколько задач:

-рассмотреть ряд уже известных статистических данных об экзопланетах;

-раскрыть понятие обитаемой зоны;

-выделить критерии для выбора звёзд, похожих на Солнце

Работа состоит из введения, трёх глав, заключения, списка использованной литературы и приложение.

Во введении обоснована актуальность разрабатываемой темы, сформулирована цель работы, поставлены задачи.

В первой главе приведены статистические данные об экзопланетах, закономерности их распределения, а именно: зависимость наличия планет от массы и металличности звезды, различные типы экзопланет в зависимости от их температуры и массы, распределение планет по их периодам и орбитальным характеристикам, а также данные о планетных системах.

Во второй главе - критерии для выбора звёзд, похожих на Солнце, понятия галактической и классической обитаемых зон, вывод формулы для определения границ последней, а также таблица, содержащая потенциально жизнепригодные экзопланеты.

В третьей главе проведён анализ некоторых потенциально жизнепригодных экзопланет в обитаемой зоне, который включает в себя расчёты границ обитаемых зон, температуры планет, средней плотности планет, ускорения свободного падения на поверхности. Данные вычислений сравнены с известными значениями для Солнечной системы и Земли.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы выпускной квалификационной работы.

экзопланета солнце орбитальный звезда

1.Статистические данные об экзопланетах

По данным на 15 марта 2015 года достоверно подтверждено существование 1901 экзопланеты в 1199 планетных системах, из которых в 478 имеется более одной планеты, [4]. Следует отметить, что количество надёжных кандидатов в экзопланеты значительно больше. Так, по проекту «Кеплер», который занимается поисками экзопланет, на январь 2015 года числилось ещё 4175 надёжных кандидатов. Однако для того, чтобы они получили статус подтверждённых планет, требуется их повторная регистрация с помощью наземных телескопов.

Общее количество экзопланет в галактике Млечный Путь в настоящее время оценивается не менее чем в 100 миллиардов, из которых ~ от 5 до 20 миллиардов, возможно, являются «землеподобными», [5].

Располагая таким количеством примеров, можно изучать статистически значимые тенденции, которые проявляются в распределении орбитальных элементов планет и свойствах родительских звезд. Особенности этих распределений - следы процессов формирования и эволюции экзопланетных систем, они помогают уточнить модели формирования планет.

1.1Распределение по спектральным классам звёзд

Масса родительской звезды является основным важным параметром процесса формирования планет. В случае маломассивных звезд результат текущих обзоров показывает, что газовые гиганты встречаются гораздо реже около М-звезд, нежели по сравнению со звездами F, G, K-классов. Известна только одна система около М-звезды с двумя планетами-гигантами (GJ 876). В частности, около М-звезд не найдено ни одного горячего юпитера. Этот результат, однако, страдает от маленькой статистики. С другой стороны, 3 из 5 планет, вращающихся вокруг М-карликов, имеют массу ниже 21 массы Земли и, возможно, являются "твердыми" планетами.

Распределение экзопланет по массам звезд приведено в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Распределение экзопланет по массам звёзд.

SpM, M%A-F1.3-1.99G0.7-1.34M-K0.1-0.72

В последнем столбце указан процент звезд, имеющих планеты. Статистика получена в результате исследования 1073 звезд. Таким образом, вероятность встретить планету у звезд ранних спектральных классов выше, чем у звёзд поздних спектральных классов. Причём планеты больших масс. Прямая корреляция существования экзопланет с массой звезды согласуется с результатами теоретических расчетов, которые следуют из теории формирования планетных систем.

В сторону еще больших масс проследить эту зависимость трудно. Это связано с эффектами селекции. Большая часть информации по экзопланетам до сих пор получается методом измерения доплеровских сдвигов. Этот метод неприменим для анализа звезд ранних спектральных классов.

Программы поиска планет у более массивных звезд (а именно звезд главной последовательности спектральных классов A и F, а также гигантов спектральных классов G и К) говорят, что найденные планеты обычно массивны. Их масса составляет более 5 масс Юпитера. Однако еще рано делать выводы об этом эффекте, так как эти программы еще сильно подвержены наблюдательной селекции.

1.2Распределение по металличности звёзд

Любая звезда Главной Последовательности состоит в основном из водорода и гелия. Содержание других химических элементов может сильно варьировать. Чем больше металлов в протозвезде, тем больше их и в её протопланетном диске. В бедном металлами диске появление планет затруднено. Если планеты и есть, то они, скорее всего, будут маломассивными.

Спектроскопические исследования систем, где были найдены экзопланеты, подтверждают взаимосвязь между высокой концентрацией металлов в звёздах и образованием планет. «Звёзды с планетами (по крайней мере, подобными известным сегодня) явно богаче металлами, чем звёзды, не имеющие планет», [6]. <https://ru.wikipedia.org/wiki/%C6%E8%E7%ED%E5%EF%F0%E8%E3%EE%E4%ED%EE%F1%F2%FC_%EF%EB%E0%ED%E5%F2%FB> Из необходимости высокой металличности следует необходимость относительной молодости звезды: более взрослые звёзды бедны металлами и имеют меньше шансов на формирование вокруг них планет.

Корреляция между газовыми гигантами, обнаруженными с помощью эффекта Доплера, и высокой металличностью родительских звезд была замечена в первые годы исследования экзопланет. Это наблюдение привело к дебатам о происхождении такого рода корреляции. Одно из объяснений состоит в том, что высокая металличность звёзд способствует формированию планет. Это объясняется тем, что увеличивается количество маленьких сконденсировавшихся частиц - строительных блоков планетезималей. Иное объяснение состоит в том, что повышение звездной металличности может быть результатом загрязнения звездной конвективной зоны лишенным газа материалом на последней стадии аккреции. Два главных механизма приводят к разным взглядам на строение родительских звезд: в первом случае звезда богата металлами целиком, во втором конвективная зона гораздо богаче металлами, чем звездные недра.

Во время ранних наблюдений было известно лишь небольшое число звезд, имеющих планеты. Следовательно, корреляция была ограничена малым объемом исследований, и были обычны систематические погрешности в определении металличности, достигавшие 0,1. Но впоследствии были сделаны регулярные, гомогенные исследования всех звезд, вошедших в обзоры поиска планет, [7], с условием, чтобы звезды наблюдались довольно продолжительно и подробно, вплоть до обнаружения юпитероподобной планеты с периодом до четырех лет. Вместо того, чтобы проверять металличность звезд, имеющих планеты, было оценено присутствие газовых гигантов, вращающихся вокруг звезд с известной металличностью. Расчёты проводились для более 1500 звезд, обнаруженных с помощью эффекта Доплера. Рисунок 1.1 показывает процент звезд, имеющих планеты, как функцию металличности для 1040 звезд из обзоров Lick, Keck и AAT (непрерывная линия), и для 875 звезд из обзора CORALIE (двойные звезды исключены, пунктирная линия).

Рисунок 1.1 - Процент звезд с экзопланетами как функция звездной металличности.

Возникновение планет как функция металличности родительских звезд была аппроксимирована формулой:

(1.1)

Таким образом, вероятность формирования газового гиганта пропорционально квадрату числа атомов металлов и увеличивается в 5 раз, если металличность родительской звезды увеличивается с 0,0 до 0,3. Последовательный анализ спектров более чем 1500 звезд, сделанных с высоким разрешением в обзорах поиска планет, нашел различия между двумя гипотезами обогащения звезд тяжелыми элементами. Гипотеза загрязнения звезды металлами во время заключительного этапа аккреции утверждает, что наблюдаемая металличность увеличивается с уменьшением глубины конвективной зоны звезд главной последовательности. Но данная гипотеза не подтвердилась. Такое загрязнение не было ответственно за увеличение металличности звезд, имеющих планеты. Еще один, более сильный аргумент против гипотезы загрязнения состоит в том, что субгиганты, которые имеют планеты, имеют также высокую металличность. Субгиганты без обнаруженных планет имеют то же распределение по металличности, что и звезды главной последовательности без обнаруженных планет. Так как у звезд ветви субгигантов происходит перемешивание всей конвективной зоны, субгиганты растворили бы аккрецированные металлы в конвективной зоне. Тот факт, что высокая металличность сохранилась у субгигантов, имеющих планеты, говорит о том, что эти звезды были богаты металлами целиком.

Существование корреляции между наличием планет и металличностью родительских звезд согласуется с гипотезой о гравитационной неустойчивости и аккреции на ядро в качестве механизма формирования газовых гигантов с орбитальными периодами до четырёх лет. Наблюдаемое отношение между содержанием металлов в звезде и наличием планет мотивировало программы поиска у звезд, богатых металлами, короткопериодических планет. Иначе ещё эти планеты называют горячими юпитерами. Они являются идеальными кандидатами для дальнейших поисков транзитов фотометрическими методами. Эти поиски были успешны, согласно [8], [9], [10], [11]. Однако, нужно учитывать наблюдательную селекцию при поиске возможных статистических отношений между металличностью звезды и другими орбитальными или звездными параметрами. До сих пор не наблюдается никакой очевидной корреляции между металличностью родительских звезд и орбитальными параметрами планет.

Известно, что обнаруженные планеты-гиганты предпочитают обращаться вокруг звезд, богатых металлами. Какова ситуация с недавно обнаруженными планетами с массами порядка массы Нептуна? Рисунок 1.2 отображает зависимость числа известных экзопланет от металличности родительской звезды. Заштрихованными прямоугольниками показаны звезды, имеющие планеты с массами порядка массы Нептуна.

Рисунок 1.2 - Зависимость числа известных экзопланет с периодами меньше 20 дней от металличности родительских звезд.

Если недавно открытые горячие нептуны есть остатки испарившихся древних планет-гигантов, их родительские звезды должны также иметь преимущественно высокую металличность, которая наблюдается у родительских звезд планет-гигантов. Этого не наблюдается, поскольку 7 известных планет с массой msini < 21 массы Земли вращаются вокруг звезд с металличностью 0,33; 0,35; 0,02; 0,14; - 0,03; - 0,25 и -0,31, соответственно. Хотя статистика слишком бедна, размах этих величин, близкий к полному диапазону металличности звезд, имеющих планеты, означает разное отношение между содержанием металлов в звезде и существованием небольших планет относительно планет-гигантов.

Важное замечание: 3 кандидата с массой, близкой к массе Нептуна, вращаются вокруг красных карликовых звезд спектрального класса М. Недавнее моделирование методом Монте-Карло, выполненное Ida and Lin, [12], показало, что около маломассивных звезд обычно формируются планеты с массами порядка массы Нептуна. Кроме того, маломассивные планеты наблюдаются около солнцеподобных звезд в случае низкой металличности протозвездной туманности, согласно [13], [14]. Будущие исследования моделей формирования планет и новые открытия маломассивных планет помогут лучше понять эти два сходящихся эффекта.

1.3Распределение по массам планет

"Рабочее" определение планеты было предложено рабочей группой IAU (The International Astronomical Union - Международный Астрономический Союз), основываясь на пределе массы в 13 масс Юпитера, достаточном для воспламенения дейтерия. Говоря своими словами, планета - это объект с массой, меньшей 13 масс Юпитера. Объект с большей массой считается коричневым карликом или звездой.

По массе все планеты делятся на 3 типа: гиганты (такие, как Юпитер и Сатурн), нептуны (такие, как Уран и Нептун) и планеты земного типа, или земли (такие, как Земля и Венера). Граница между гигантами и нептунами проходит по линии появления в недрах планет металлического водорода (около 60 масс Земли или 0.19 масс Юпитера). Граница между нептунами и землями довольно условно равняется 7 массам Земли. Потому, что Уран с его 14 массами Земли - еще явный нептун, а Земля - уже явно планета земного типа. Возможно, в интервале 3-10 масс Земли существуют планеты, чьи свойства резко отличаются как от свойств нептунов, так и от свойств планет земного типа. Но пока что они реально не открыты.

Между планетами-гигантами, с одной стороны, и нептунами, с другой, существует много важных отличий помимо массы. Так, например, химический состав планет-гигантов близок к звездному химическому составу, то есть они состоят преимущественно из водорода и гелия с небольшой (несколько процентов) примесью тяжелых элементов. Нептуны же состоят в основном изо льдов (водяного льда, метана, аммиака и сероводорода) с заметной примесью скальных пород (силикатов и алюмосиликатов). Количество водорода и гелия в их составе не превышает 15-20%. Наконец, планеты земного типа лишены не только водорода и гелия, но в значительной степени и льдов. Состоят в основном из силикатов с примесью железа.

Просуммируем свойства планет в зависимости от их массы.

) Планеты-гиганты.

Масса в интервале от 0.19 до 13 масс Юпитера. Отличаются почти звездным химическим составом, то есть состоят в основном из водорода и гелия. Быстро вращаются. Из-за колоссального давления в недрах планеты водород становится вырожденным. Радиус планет, начиная от 0.3 масс Юпитера и до границы коричневых карликов (которая составляет 13 масс Юпитера), близок к радиусу Юпитера, или примерно в 10-11 раз превышает радиус Земли. Исключением являются так называемые "горячие юпитеры" - планеты-гиганты, расположенные близко к своей звезде и имеющие эффективную температуру выше 1000К. Вследствие сильного нагрева светом близкой родительской звезды, их атмосфера расширяется, увеличивая видимый радиус планеты до 1-1.4 радиуса Юпитера. Средняя плотность гигантов меняется от 0.28 г/см3 до 12 г/ см3. Вторая космическая скорость этих планет выше 37 км/сек. Обычно она составляет от 45 до 70 км/сек. Скорее всего, все планеты-гиганты имеют сильное магнитное поле, усиливающееся с ростом массы планеты. В Солнечной системе планеты-гиганты - это Юпитер и Сатурн.

) Нептуны.

Масса в интервале от 7 до 60 масс Земли (0.022 - 0.19 масс Юпитера). Состоят большей частью изо льдов (водяного, аммиачного, метанового, сероводородного) и скальных пород, которые составляют примерно четверть от полной массы планеты. Доля водорода и гелия в составе планеты не превышает 15-20%. Давление в недрах меньше, нежели у планет-гигантов. Водород не переходит в вырожденное состояние. Радиус близок к 4 радиусам Земли. Средняя плотность составляет 1.3-2.2 г/см3, вторая космическая скорость в среднем 24 км/сек. Магнитное поле сильно отличается от дипольного (например, планета может иметь два северных и два южных полюса). В Солнечной системе нептуны - Уран и Нептун.

) Планеты земного типа.

Масса до 7 масс Земли. Состоят в основном из силикатов (скальная компонента) и железа. Средняя плотность 3.5-6 г/см3. Радиус меньше 2 радиусов Земли. В Солнечной системе планеты земного типа - Меркурий, Венера, Земля и Марс.

Конечно, границы между типами не резкие. Возможны всякие промежуточные случаи. К примеру, планета с массой 5 масс Земли, которая сформировалась за снеговой линией и потом мигрировавшая внутрь системы, будет иметь химический состав, среднюю плотность и внешний вид нептуна. А планета с массой 7 масс Земли, образовавшаяся во внутренней части богатого пылью газопылевого диска, может состоять из железа и силикатов и быть гигантской планетой земного типа.

Уже после обнаружения нескольких внесолнечных планет стало ясно, что эти объекты нельзя рассматривать как маломассивный хвост распределения звездных компаньонов в двойных звездных системах (с низкой величиной msini из-за малого наклонения i оси вращения системы к лучу зрения). Явный бимодальный вид распределения масс вторых компонент у звезд солнечного типа считался самым очевидным доказательством различия механизмов формирования звездных пар и планетных систем. Интервал между двумя популяциями ("пустыня коричневых карликов"), соответствующий массам между 20 и 60 масс Юпитера, практически пуст. По крайней мере, для планет с орбитальными периодами короче 10 лет. Однако в этой области нелегко разделить маломассивные коричневые карлики от массивных газовых планет только по измеряемой величине msini, без дополнительной информации о формировании и эволюции этих систем. На рисунке 1.3 представлено распределение спутников звёзд солнечного типа по минимальной массе. Хорошо виден глубокий минимум в области масс, соответствующей коричневым карликам (от 0,01 до 0,1 масс Солнца).

Рисунок 1.3 - Распределение по минимальной массе (величине msini) спутников звезд солнечного типа.

Заштрихованными прямоугольниками отмечены планеты, обнаруженные с помощью спектрометра HARPS.

Маломассивная часть этого распределения плохо изучена из-за наблюдательной неполноты. Самые маломассивные планеты труднее всего обнаружить потому, что вызываемые ими лучевые скорости звезд малы. Весьма вероятно, что есть значительная популяция планет с массами меньше массы Сатурна. Это наблюдение подтверждается аккреционными моделями формирования планет. В частности, ожидается большое количество "твердых" планет.

1.4Распределение по температурам планет

По степени нагрева светом родительской звезды планеты делятся на 7 типов:

1)Горячие, R/Rэф < 0.1;

2)Очень теплые, 0.1 < R/Rэф < 0.4;

)Теплые, 0.4 < R/Rэф < 0.8;

)Прохладные, 0.8 < R/Rэф < 1;

)Холодные, 1.3 < R/Rэф < 3;

)Очень холодные, 3 < R/Rэф < 12;

)Ледяные, R/Rэф > 12.

Здесь R - большая полуось орбиты планеты, Rэф - радиус эффективной земной орбиты.

Рассмотрим данную классификацию более подробно.

1)Горячими гигантами, нептунами или землями называются планеты, для которых отношение R/Rэф < 0.1. Для альбедо 0.2 эффективная температура составит 833К, а для альбедо 0 - 881К. Начиная примерно с 900К, тепловое излучение нагретого тела становится видимым для человеческого глаза (как тусклое темно-вишневое свечение). Горячие планеты будут светиться собственным багровым светом. Это свечение особенно хорошо заметно на ночной стороне планеты.

Все горячие планеты, скорее всего, захвачены мощными приливными силами в орбитально-вращательный резонанс 1:1. Это вызвано тем, что планета расположена довольно близко к родительской звезде. Поэтому, подобно системе Луна-Земля, они повернуты к своей звезде только одной стороной.

Но есть ещё одна интересная особенность. С помощью орбитального инфракрасного телескопа им. Спитцера были измерены температуры "поверхности" нескольких горячих гигантов и определен температурный контраст между их "вечно ночным" и "вечно дневным" полушариями. Например, для горячего гиганта Upsilon Andromedae b <#"justify">2)Очень теплые планеты, для них 0.1 < R/Rэф < 0.4. На нижней границе этой зоны эффективная температура планет достигает 880К. На верхней границе, в зависимости от альбедо планеты, падает до 370К. При температуре около 900К химическое равновесие углерода сдвигается в сторону преобладания метана, а не угарного газа. Однако азот по-прежнему пребывает в виде молекулярного азота. Весьма вероятно, что зрелые планеты этого замедлили свое вращение под действием приливных сил. Тем не менее, часть из них, может быть, и не захвачена в резонанс 1:1.

В Солнечной системе в область очень теплых планет попадает Меркурий. Точнее, он находится вблизи внешней границы этой области. В перигелии (ближайшая к Солнцу точка орбиты планеты) он погружается в нее достаточно глубоко, а в афелии (наиболее удалённая от Солнца точка орбиты планеты) уходит в зону теплых планет.

3)Теплые планеты, 0.4 < R/Rэф < 0.8. Для них эффективная температура составляет примерно 400К на нижней границе области и 262К на верхней границе.

В случае солнечного химического состава атмосфера теплых гигантов будет чиста, прозрачна и практически лишена облаков на большую глубину. Из-за рэлеевского рассеяния света (происходит без изменения длины волны света) в прозрачной атмосфере диск теплого гиганта будет казаться синим, голубым или серо-голубым, подобно голубому небу на Земле. Теплый нептун будет уже достаточно прохладен, чтобы удержать водород в своей атмосфере.

Типичный пример такой теплой земли - Венера.

4)Прохладные планеты, 0.8 < R/Rэф < 1.3. Это зона температурного оптимума. Иными словами - обитаемая зона, по ее середине проходит эффективная земная орбита (далее это понятие будет рассмотрено подробнее). При обилии кислорода (а значит, и воды) в составе таких планет-гигантов облачность может быть сплошной, от чего планета будет выглядеть ярко-белой. При дефиците кислорода облака из водяного льда будут формироваться только в зонах апвеллинга, при подъеме воздушных масс из глубины. В местах опускания воздушных масс атмосфера будет слишком теплой и сухой для появления облаков. В данной ситуации рэлеевское рассеяние света в прозрачной атмосфере окрасит эти области в голубой цвет. В результате такая планета примет характерный полосатый вид. Подобным образом выглядит Юпитера, только цвет полос будет белым и голубым. Эффективная температура прохладных гигантов изменяется примерно от 270 до 200К.

Прохладные нептуны, состоящие в основном изо льдов, будут иметь в своем составе достаточно воды для формирования сплошной облачности из водяного льда.

Прохладные земли - климатические аналоги Земли. Предполагается, что атмосфера прохладных земель (как и других планет земного типа) имеет вторичное происхождение из вулканических газов. При базальтовом вулканизме в состав вулканических газов входят в первую очередь водяной пар, углекислый газ, сернистый газ и кислые дымы (хлороводород, фтороводород), а также иногда присутствуют водород, метан и угарный газ. При невысокой температуре поверхности планеты водяной пар конденсируется, и в образующихся океанах растворяются углекислый газ, сернистый газ и галогеноводороды, образуя в результате карбонаты, сульфаты и хлориды (фториды и пр.). Таким образом, в отличие от атмосфер теплых земель, которые состоят в основном из углекислого газа и создают мощный парниковый эффект, атмосферы прохладных земель оказываются сравнительно тонкими и в основном азотными. Подобную атмосферу имеет Земля.

5)Холодные планеты, 1.3 < R/Rэф < 3. Эффективная температура в этой области будет лежит в пределах от 210К вблизи нижней границы зоны до 135К вблизи ее верхней границы. Верхняя граница зоны холодных планет примерно совпадает со снеговой линией. Снеговая линия - это расстояние от звезды, дальше которого возможно существование ледяных пылинок и водяного льда на поверхности небесных тел, не имеющих атмосферу. Ближе снеговой линии лед в отсутствии атмосферы достаточно быстро испаряется.

При солнечном химическом составе при 200К в атмосферах холодных гигантов будет конденсироваться гидросульфид аммония NH4SH. Это вещество, из которого сложены бежевые облака Юпитера. Чистый гидросульфид аммония бесцветен, но под действием ультрафиолетового излучения он частично разлагается. В результате образуется элементарная сера и полисульфиды, которые окрашиваются в желтовато-бежево-коричневые тона.

В зависимости от количества серы и азота в атмосфере холодного гиганта облака из гидросульфида аммония могут быть либо сплошными и окутывать всю планету бежево-коричневым покрывалом, либо возникать в зонах подъема воздушных масс над более низким слоем облаков из водяного льда. В этом случае планета будет выглядеть контрастно полосатой.

Внешний вид и состав внешнего слоя облаков холодного нептуна сильно зависит от деталей его химического состава. При обилии азота он будет окутан белыми облаками из замерзшего аммиака, при обилии серы - покрыт облаками из гидросульфида аммония. Если резко преобладает сера над азотом, то возможно образование облаков из жидких капелек сероводорода. Облака из водяного льда уходят в глубину и не видны из космоса.

В Солнечной системе в зону холодных планет попадает Марс и главный пояс астероидов.

6)Очень холодные планеты, 3 < R/Rэф < 12. Эффективная температура в этой области варьируется примерно от 135К до 70К.

Очень холодные гиганты могут быть окутаны облаками из замерзшего аммиака. В атмосфере Юпитера аммиак конденсируется при температуре 140-150К и давлении 0.75 атм. На Сатурне основной слой аммиачных облаков расположен при температуре около 150К и давлении 1.4 атм. Однако выше находится надоблачная дымка, состоящая из мелких кристаллов аммиака, плотная над экватором и редеющая к полюсам. Вероятно, все планеты-гиганты в интервале 5 < R/Rэф < 9 будут окутаны светло-бежевыми облаками из замерзшего аммиака. Вблизи нижней границы очень холодных гигантов аммиак будет конденсироваться только вблизи тропопаузы (переходный слой между тропосферой и стратосферой, в котором происходит резкое снижение вертикального температурного градиента), в восходящих воздушных потоках. В нисходящих потоках воздух слишком теплый и сухой для образования аммиачных облаков. Из космоса будут видны более низкие облака из гидросульфида аммония. В результате этого планета-гигант также будет выглядеть контрастно-полосатой подобно Юпитеру. При увеличении эффективного расстояния температура планет будет падать, и аммиачные облака станут сплошными, как у Сатурна. Вблизи верхней границы зоны очень холодных гигантов аммиачные облака уходят в глубину, диск планеты окрашивается голубым из-за рэлеевского рассеяния света в холодной прозрачной атмосфере.

Очень холодные нептуны, также будут покрыты облаками из замерзшего аммиака. В Солнечной системе очень холодными гигантами являются Юпитер и Сатурн.

7)Ледяные планеты, R/Rэф > 12. Эффективная температура в этой области меньше 70К. При такой температуре конденсируется большинство газов. Исключение составляют водород, гелий и неон. Впрочем, сравнительно высокое давление насыщенных паров азота ниже тройной точки азота (63К) позволит небольшим телам иметь разреженную азотную атмосферу и при более низкой температуре.

Начиная с 11-12 и до R/Rэф ~ 30 атмосфера ледяных гигантов лишена облаков. Облака из замерзшего аммиака погружаются достаточно глубоко внутрь атмосферы, туда, где температура воздуха будет близка к 140-150К. Вместе с тем, из-за небольшого количества метана (доли процента) "метановая влажность" будет недостаточна для образования облаков из замерзшего метана. Из-за рэлеевского рассеяния в чистой атмосфере диски таких планет видны как серо-синие или темно-серо-голубые. Ледяные нептуны также будут иметь чистую прозрачную атмосферу и бирюзово-голубой или синий цвет. Но, в отличие от ледяных гигантов, на них возможно образование белых облаков из замерзшего метана. Основной слой облаков на этих планетах может состоять из аммиака или замерзшего сероводорода и располагаться на уровне давления в несколько атмосфер, в зависимости от химического состава.

В Солнечной системе известны два ледяных нептуна - это Уран и Нептун.

1.5Распределение по орбитальным периодам планет

Одна из наиболее заметных особенностей свойств внесолнечных планет - широкое разнообразие орбитальных характеристик. Это разнообразие бросает вызов привычным для нас взглядам на формирование планет.

Статистические свойства гигантских планет должны быть получены из обзоров, которые сами хорошо статистически определены (например, включают в себя все объекты из ограниченного объема) и имеют хорошо понятные пороги обнаружения планет с различными орбитальными свойствами. Есть несколько программ, которые отвечают этим требованиям, например программа поиска планет в ограниченном объеме CORALIE, [15], и FGKM-обзор на телескопе имени Кека (рассматривались звезды ограниченной звездной величины, [16]). На диаграммах, приведенных в обзоре, представлены планеты, которые были обнаруженные во всех программах поиска, основанных на измерении лучевых скоростей. Обсуждаемые свойства планет согласуются со свойствами, полученными из единичных статистически хорошо определенных программ.

Рисунок 1.4 показывает распределение по орбитальным периодам известных внесолнечных планет. Планеты открыты с помощью метода измерения лучевых скоростей звезд и вращаются вокруг звезд главной последовательности. Заштрихованная часть гистограммы показывает сравнительно "легкие" планеты с msini < 0,75 масс Юпитера. Черным показано распределение по периодам планет с массами порядка массы Нептуна.

Рисунок 1.4 - Распределение известных внесолнечных планет-гигантов по периодам.

Многочисленные планеты-гиганты, вращающиеся очень близко вокруг своих родительских звезд с периодом меньше 10 дней стали совершенно неожиданными для исследователей. Стандартная модель (например, [17]) предполагала, что планеты-гиганты формируются из ледяных гранул во внешних частях системы, где температура протопланетной туманности достаточно низка. Слипание таких гранул обеспечивает формирование твердого ядра, которое в свою очередь начинает притягивать окружающий газ в течение жизни протопланетного диска (примерно 10 миллионов лет). Однако обнаружение планет-гигантов глубоко внутри "ледяной линии" требует, чтобы эти планеты подверглись процессу перемещения, миграции по направлению к родительской звезде. Альтернативная точка зрения предлагает формирование таких планет уже "на месте", возможно, благодаря нестабильности в протопланетном диске. Однако даже в таком случае взаимодействие планеты и диска будет изменять орбиту планеты, как только та сформируется. Предполагается, что наблюдаемый максимум планет с периодами около 3 дней является следствием миграции. Причем еще необходимо наличие останавливающего механизма, который препятствовал бы падению планет на звезды.

Ещё одна интересная особенность распределения планет по периодам - это увеличение количества планет с ростом расстояния от родительской звезды. Это не эффект наблюдательной селекции, так как методом измерения лучевых скоростей из двух планет одинаковой массы легче обнаружить планету с более коротким периодом. Уменьшение количества планет с периодами больше 10 лет почти наверняка является результатом ограниченной продолжительности большинства программ поиска планет методом измерения лучевых скоростей.

Полное распределение планет по периодам можно представить себе состоящим из двух частей: главное, в котором число планет растет с увеличением периода и максимум которого еще не определен, и вторичное распределения планет, мигрировавших внутрь системы. Наблюдаемый минимум планет с периодами между 10 и 100 днями реален и отражает область пересечения между этими двумя распределениями. Минимальная (плоская) экстраполяция распределения в сторону больших периодов примерно удвоила бы число образовавшихся планет. Согласно этой экстраполяции, существует большое количество еще неоткрытых планет-гигантов на расстояниях от 5 до 20 а.е. Этот вывод имеет первостепенную важность для проектов по прямой регистрации внесолнечных планет большими телескопами, таких как VLT ( Very Large Telescope - Очень большой телескоп) или Gemini Planet Finder, и космическими миссиями, такими как TPF (НАСА) или Дарвин (ЕКА).

.6Распределение по эксцентриситетам орбит планет

Внесолнечные планеты с орбитальными периодами больше 6 дней имеют эксцентриситеты значительно больше, чем планеты-гиганты в Солнечной системе. На рисунке 1.5 отображена зависимость эксцентриситета обнаруженных планет от периода.

Рисунок 1.5 - Диаграмма эксцентриситет-период для известных внесолнечных планет. Пустые квадратики - планеты, вращающиеся вокруг одного из компонентов двойной звездной системы. Черные точки - планеты у одиночных звезд. Пустые точки - планеты из многопланетных систем. Транзитные планеты, у звезд с высокой металличностью - черные треугольники. Звездочки - планеты с массами порядка массы Нептуна. Скобками () очерчена система HD 162020. Точечная линия - область приливного скругления орбит с периодами меньше 6 суток. Пунктирная линия - область с эксцентриситетами е > 0,05 и периодами меньше 40 дней.

Средний эксцентриситет обнаруженных экзопланет с периодами больше 6 дней составляет е = 0,29. Распределение эксцентриситетов этих планет напоминает аналогичное распределение для двойных звезд, охватывая почти полный диапазон от 0 до 1. Орбиты планет с периодами меньше 6 суток скруглены приливными силами.

Происхождение эксцентриситетов внесолнечных планет-гигантов может быть вызвано действием различных механизмов. Это может быть гравитационное взаимодействие между соседними планетами-гигантами, взаимодействия планеты-гиганта с планетезималями на ранних стадиях образования планетной системы, влияние дополнительного звездного или планетного компаньона, и тому подобное. Последний эффект в ряде случаев кажется наиболее интересным. Средняя скорость некоторых планет с высоким эксцентриситетом показывает дрейф, который согласуется с присутствием долгопериодического компаньона. Гравитационное влияние удаленного компаньона может вызвать наблюдаемый высокий орбитальный эксцентриситет. Этот эффект был предложен как механизм увеличения эксцентриситета планеты, вращающейся вокруг звезды 16 Cyg B, [18]. Однако, Takeda and Rasio, [19], показали, что такой процесс, действуя в одиночку, привел бы к чрезмерному количеству планет как с очень высоким (е > 0,6), так и с очень низким (е < 0,1) эксцентриситетом. Следовательно, требуется, как минимум еще один дополнительный механизм для воспроизведения наблюдаемого распределения по эксцентриситетам. Фактически, ни один из предложенных механизмов возникновения эксцентриситета не в состоянии в одиночку объяснить наблюдаемое распределение эксцентриситетов внесолнечных планет.

На малых орбитальных расстояниях планеты-гиганты подвергаются воздействию приливных сил, которые способствую округлению орбит. Все газовые гиганты с периодом меньше 6 дней находятся на почти круговых орбитах (е < 0,05). Недавно было обнаружено несколько пограничных случаев (с эксцентриситетом около 0,1) в обзорах, ориентированных на поиск короткопериодических планет. Результаты имеют очень неуверенную оценку эксцентриситета, даже совместимую с нулем. С большим количеством данных о лучевой скорости, охватывающих несколько орбитальных периодов, средневзвешенные оценки эксцентриситета могут уменьшаться. Или, наоборот, в некоторых из этих систем может быть найден дополнительный компаньон.

В случае многопланетной системы простая кеплеровская (однопланетная) модель может замыть часть более долгопериодической кривой суммы скоростей, искусственно раздувая орбитальный эксцентриситет. Дополнительные компаньоны могут также за счет приливного взаимодействия увеличивать эксцентриситет короткопериодических систем.

Могут быть также взаимосвязь между эксцентриситетом и периодом, а также между эксцентриситетом и массой планеты. Для наиболее массивных планет (с массой более 5 масс Юпитера) замечен систематически более высокий эксцентриситет, чем для планет более низких масс. Это точно не эффект селекции. Если планеты формируются на круговых орбитах, высокие эксцентриситеты самых массивных планет весьма озадачивают. Такие массивные планеты имеют наибольшую инерцию и слабее всего поддаются влияниям, стремящимся согнать их с первоначальных круговых орбит. Наиболее массивные планеты, как правило, находятся на значительном расстоянии от звезды, поэтому эксцентриситет и орбитальный период оказываются связаны. Долгопериодические планеты обычно наблюдаются в течение только одного периода обращения и редко с хорошим фазовым покрытием. Это может привести к переоценке эксцентриситета некоторых кеплеровских орбит. Но крайне маловероятно, что за наблюдаемую корреляцию отвечает одно только неправильное моделирование. Кроме того, в обзорах появилось несколько долгопериодических планет с низким эксцентриситетом. Они составляют небольшую группу так называемых аналогов Солнечной системы.

1.7Планетные системы

Планетная система - это система звезды и различных астрономических объектов, которые вращаются вокруг общего центра масс. Несколько гравитационно связанных звёзд с замкнутыми орбитами и их планетные системы образуют звёздную систему. Наша планетная система, в которую входит Земля, вместе с Солнцем образует Солнечную систему.

В основном считается, что планетные системы вокруг звёзд типа Солнца сформировались в ходе того же процесса, который привёл к образованию звёзд. Первоначальные теории основывались на предположении, что другая звезда, проходя крайне близко к планетообразующей звезде, вытягивала вещество, которое сливалось и образовывало планеты. В настоящее время известно, что вероятность такого сближения или столкновения слишком мала. Общепринятые современные теории доказывают, что планетные системы образуются из газопылевого облака, которое окружало звезду. Под действием сил притяжения происходит конденсация отдельных участков облака. Ввиду анизотропии (различие свойств среды в различных направлениях внутри этой среды) газопылевого облака по плотности, составу и другим физическим свойствам, конденсация происходит в отдельных местах облака, характеризующихся наибольшей плотностью. По состоянию на начало 2015 года открыто 1194 планетных систем, [4].

Согласно ряду космогонических теорий, в значительной части внесолнечных планетных систем экзопланеты также делятся на внутренние твердотельные планеты и внешние, подобные нашим планетам-гигантам. Некоторые планетные системы радикально отличаются от Солнечной системы. Планетные системы у пульсаров были выявлены по слабым колебаниям периода пульсации электромагнитного излучения. Пульсары образуются при взрыве сверхновых, а обычная планетная система не смогла бы перенести такой взрыв - либо планеты испарились бы, либо внезапная потеря большей части массы родительской звезды позволила бы им покинуть область притяжения звезды. Одна теория гласит, что существующие спутники звезды практически целиком испарились при взрыве сверхновой, оставив только планетоподобные тела. Или же планеты могут каким-то неизвестным образом формироваться в аккреционном диске, окружающем пульсар.

К примеру, планеты у пульсара PSR 1257+12 сравнимы по плотности с Землёй. Но появление жизни на них крайне маловероятно ввиду сильного радиационного излучения пульсара.

Кроме того, существует ряд проблем при наблюдениях многопланетных систем, а также возможна наблюдательная селекция.

Первая проблема состоит в том, если пользоваться методами прямых изображений или астрометрическим методом, то маленькая амплитуда сигнала от наиболее удаленной планеты в системе замывается сигналом от планеты, которая расположена ближе к звезде. Обнаружить дополнительные планеты проще в системах, где дальняя планета в несколько раз массивнее Юпитера. Однако, массивные планеты мало распространены.

Вторая проблема существует для систем с маленькими орбитальными отношениями периода. Динамические взаимодействия между планетами существенно усложняют анализ. Если для обнаружения одной планеты достаточно наблюдать ее в течение одного орбитального периода, то для нахождения дополнительных планет у той же звезды нужны более долгосрочные наблюдения.

Долгие обзоры с высокой точностью измерения лучевых скоростей проводятся на Ликской обсерватории в рамках 15-летней программы поиска планет. Согласно этому обзору, половина звезд с известными планетами, имеют больше, чем одну планету. Учитывая возникающие трудности, которые весьма затрудняют обнаружение многопланетных систем и высокую долю данных систем в длительных программах поиска планет, кажется весьма вероятным, что у большинства звезд формируются именно планетные системы, а не отдельные изолированные планеты.

В системах с большим числом планет распределение планет по расстояниям от звезды не похоже на то, что имеется в Солнечной системе. Больше всего планет находятся на малых расстояниях от звезды. Причём это расстояние меньше, чем расстояние Меркурия от Солнца. Соответственно этому, иное и распределение по орбитальным периодам. Больше всего экзопланет имеют орбитальный период около 10d. Но, тем не менее, есть одна общая черта у всех планетных систем, включаю Солнечную систему: орбиты всех планет в одной системе лежат почти в одной плоскости. Это свидетельствует о том, что процесс формирования всех планетных систем проходит через общую стадию протопланетного диска.

.Поиск экзопланет пригодных для жизни

Распределение химических элементов внутри Галактики неоднородно, оно отражает эволюцию Галактики. Область в Галактике, где химический состав межзвездного вещества и атмосфер звезд подобен солнечному, называется галактической обитаемой зоной. Именно в этой зоне могут образовываться планеты, подобные по своему составу Земле.

Положение галактической обитаемой зоны можно рассчитать теоретически. Для этого рассчитывают сетку эволюционных моделей Галактики. Результаты расчетов можно сравнить с наблюдениями. Необходимо определить химический состав большого количества звезд карликов поздних спектральных классов, у которых химический состав атмосфер не искажен термоядерными реакциями. Это весьма большая и сложная работа. Точными спектроскопическими методами определен детальный химический состав едва ли сотни холодных карликов в околосолнечных окрестностях. Для этого необходимо получить спектры высокого разрешения, рассчитать модели атмосфер звезд и применить метод теоретических кривых роста.

Для звезд на больших расстояниях от Солнца используют фотометрические методы. Применение данных методов для оценки содержания тяжелых элементов в атмосферах звезд основано на том, что показатели цвета зависят не только от температуры, но и от химического состава, хотя гораздо слабее. Применяя фотометрические методы, нельзя определить содержание разных химических элементов отдельно друг от друга, но можно сразу вычислить металличность, Ме, - отношение содержания всех элементов, тяжелее гелия на звезде и на Солнце. Математическое определение металличности выражается формулой:

(2.1)

Для звезд околосолнечной окрестности металличность близка к нулю. Для молодых звезд диска Галактики Ме > 0. Для старых звезд с дефицитом содержания тяжелых элементов Ме < 0. Для самых старых звезд гало Галактики Ме ≈ -3.

Проведённый анализ показывает, что в Галактике обитаемая зона кольцом проходит по диску Галактики на расстоянии 8 кпс от центра Галактики. В этом кольце, конечно же, находится и Солнце. По расчетам, в галактической обитаемой зоне землеподобных планет формируется на 30% больше, нежели в других областях Галактики.

2.1Критерии для выбора звёзд, похожих на Солнце

Можно выделить три категории звезд подобных Солнцу, которые отражают эволюцию астрономических наблюдательных технологий

.Звезда солнечного типа,

.Звезда-аналог Солнца,

.Двойники Солнца.

Рассмотрим каждую из групп подробнее.

)Звезды солнечного типа.

Эти звёзды в широком смысле похожи на Солнце. Выделяются фотометрическими методами. Лежат на Главной Последовательности, их показатель цвета B-V (разность звёздных величин, измеренных в двух диапазонах спектра) находится между 0.48 и 0.8. У Солнца он составляет 0.65. По показателям цвета оценивают эффективную температуру, металличность, Me, и логарифм ускорения свободного падения, lgg, звезд.

Таким образом, в эту категорию может попасть примерно 10% всех звёзд. Тем самым можно установить верхнюю границу количества звёзд, которые более или менее похожи на Солнце <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BE%D0%BB%D0%BD%D1%86%D0%B5>.

Звёзды солнечного типа показывают весьма неплохую корреляцию между скоростью их вращения и активностью хромосферы <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A5%D1%80%D0%BE%D0%BC%D0%BE%D1%81%D1%84%D0%B5%D1%80%D0%B0> (это можно определить по спектральной линии кальция), а также корональной активности (определяется по рентгеновскому излучению). Кроме того, по скорости вращения и магнитной активности (которая проявляется в течение всей жизни звезды) можно оценить и их возраст.

В таблице 2.1 отображены звёзды солнечного типа, находящиеся на расстоянии в пределах 15 парсек. За основу взяты измерения Мамачек (Mamajek) и Хиллебрандт (Hillenbrand) в 2008, [20].

Таблица 2.1 - Близкие звёзды солнечного типа

НазваниеКоординатыРасстоя-ние (пс <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B2%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B9_%D0%B3%D0%BE%D0%B4>)Спектраль-ный
классТемп-ра (K)Метал-
личность
(%)Прямое восхождениеСклонениеТау Кита <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B0%D1%83_%D0%9A%D0%B8%D1%82%D0%B0>01ч 44м 04,1с−15° 56′ 15″3.65G8V5,3443040 Эридана A <https://ru.wikipedia.org/wiki/40_%D0%AD%D1%80%D0%B8%D0%B4%D0%B0%D0%BD%D0%B0>04ч 15м 16,3с−07° 39′ 10″5.06K1V5,12648Дельта Павлина <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D1%82%D0%B0_%D0%9F%D0%B0%D0%B2%D0%BB%D0%B8%D0%BD%D0%B0>20ч 08м 43,6с−66° 10′ 55″6.10G8IV5,604240HR 7722 <https://ru.wikipedia.org/wiki/HR_7722>20ч 15м 17,4с−27° 01′ 59″8.83K0V5,16691Глизе 86 A <https://ru.wikipedia.org/wiki/HD_13445>02ч 10м 25,9с−50° 49′ 25″10.79K1V5,1635754 Рыб <https://ru.wikipedia.org/wiki/54_%D0%A0%D1%8B%D0%B1>00ч 39м 21,8с+21° 15′ 02″11.07K0V5,129154HD 14412 <https://ru.wikipedia.org/wiki/HD_14412>02ч 18м 58,5с−25° 56′ 45″12.66G5V5,43234HD 172051 <https://ru.wikipedia.org/wiki/HD_172051>18ч 38м 53,4с−21° 03′ 07″13.09G5V5,6104772 Геркулеса <https://ru.wikipedia.org/wiki/72_%D0%93%D0%B5%D1%80%D0%BA%D1%83%D0%BB%D0%B5%D1%81%D0%B0>17ч 20м 39,6с+32° 28′ 04″14.38G0V5,66242HD 196761 <https://ru.wikipedia.org/wiki/HD_196761>20ч 40м 11,8с−23° 46′ 26″14.38G8V5,41549Ню2 Волка <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9D%D1%8E2_%D0%92%D0%BE%D0%BB%D0%BA%D0%B0>15ч 21м 48,1с−48° 19′ 03″14.56G4V5,66446
2)Звезда - аналог Солнца.
Эти звезды с точки зрения фотометрии подобны Солнцу. В проекте SETI <#"justify">a.возраст звезды не меньше 3 млрд. лет;

b.звезда лежит на Главной Последовательности <#"justify">В таблице 2.2. приведён список звёзд, которые удалены от Солнца не более чем на 15,5 парсек и отвечают требуемым критериям.

Таблица 2.2 - Близкие звёзды-аналоги Солнца

НазваниеКоординатыРасстоя-ние (пс <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B2%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B9_%D0%B3%D0%BE%D0%B4>)Спектраль-ный классТемп-ра (K)Металличность (%)Прямое восхождениеСклонениеАльфа Центавра A <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%BB%D1%8C%D1%84%D0%B0_%D0%A6%D0%B5%D0%BD%D1%82%D0%B0%D0%B2%D1%80%D0%B0>14ч39м36с−60°5002"1.37G2V5750130-230Альфа Центавра B <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%BB%D1%8C%D1%84%D0%B0_%D0%A6%D0%B5%D0%BD%D1%82%D0%B0%D0%B2%D1%80%D0%B0>14ч39м35с−60°5013"1.37K1V5250130-230Сигма Дракона <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B8%D0%B3%D0%BC%D0%B0_%D0%94%D1%80%D0%B0%D0%BA%D0%BE%D0%BD%D0%B0>19ч 32м 21с+69° 39′ 40″5.73K0V529956-59Эта Кассиопеи A <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D1%82%D0%B0_%D0%9A%D0%B0%D1%81%D1%81%D0%B8%D0%BE%D0%BF%D0%B5%D0%B8>00ч 49м 06с+57° 48′ 54″5.95G0 V/K7 V6087−0.03182 Эридана <https://ru.wikipedia.org/wiki/82_%D0%AD%D1%80%D0%B8%D0%B4%D0%B0%D0%BD%D0%B0>03ч 19м 55с-43° 04′ 11″6.04G8V5401-0,40107 Рыб <https://ru.wikipedia.org/wiki/107_%D0%A0%D1%8B%D0%B1>01ч 42м 29с+20° 16′ 06″7.48K1V5200−0,04Мю Кассиопеи A <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D1%8E_%D0%9A%D0%B0%D1%81%D1%81%D0%B8%D0%BE%D0%BF%D0%B5%D0%B8>01ч 08м 16с+54° 55′ 13″7.54G5VIp/M5V529013-2861 Девы <https://ru.wikipedia.org/wiki/61_%D0%94%D0%B5%D0%B2%D1%8B>13ч 18м 24с-18° 18′ 41″8.52G5-6V560493-95Дзета Тукана <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B7%D0%B5%D1%82%D0%B0_%D0%A2%D1%83%D0%BA%D0%B0%D0%BD%D0%B0>00ч 20м 04с-64° 52′ 29″8.58F9 V620044-79Хи 1 Ориона <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A5%D0%B8_1_%D0%9E%D1%80%D0%B8%D0%BE%D0%BD%D0%B0>05ч 54м 23с+20° 16′ 34″8.80G0 V594089-178Бета Волос Вероники <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D0%B5%D1%82%D0%B0_%D0%92%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D1%81_%D0%92%D0%B5%D1%80%D0%BE%D0%BD%D0%B8%D0%BA%D0%B8>13ч 11м 52с+27° 52′ 41″9.20G0 V6000146HR 4523 A <https://ru.wikipedia.org/wiki/HR_4523>11ч 46м 31с-40° 30′ 01″9.23G5 V / M V5643-0,2861 Большой Медведицы <https://ru.wikipedia.org/wiki/61_%D0%91%D0%BE%D0%BB%D1%8C%D1%88%D0%BE%D0%B9_%D0%9C%D0%B5%D0%B4%D0%B2%D0%B5%D0%B4%D0%B8%D1%86%D1%8B>11ч 41м 03с+34° 12′ 05″9.54G8V5270+0.03HR 4458 А <https://ru.wikipedia.org/wiki/HR_4458>11ч 34м 29с-32° 49′ 52″9.54K0 V / M V5400-0,26HR 511 <https://ru.wikipedia.org/wiki/HR_511>01ч 47м 44с+63° 51′ 09″9.96K0V542095.5Альфа Столовой Горы <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%BB%D1%8C%D1%84%D0%B0_%D0%A1%D1%82%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B9_%D0%93%D0%BE%D1%80%D1%8B>06ч 10м 14с-74° 45′ 10″10.15G7 V5560102Йота Персея <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%99%D0%BE%D1%82%D0%B0_%D0%9F%D0%B5%D1%80%D1%81%D0%B5%D1%8F>03ч 09м 04с+49° 36′ 47″10.55G0 V594510855 Рака <https://ru.wikipedia.org/wiki/55_%D0%A0%D0%B0%D0%BA%D0%B0>08ч 52м 35с+28° 19′ 51″12.54G8V/5196186HD 69830 <https://ru.wikipedia.org/wiki/HD_69830>08ч 18м 23с-12° 37′ 55″12.57G8V538589HD 10307 <https://ru.wikipedia.org/wiki/HD_10307>01ч 41м 47с+42° 36′ 48″12.63G1,5 V/M V587496HD 147513 <https://ru.wikipedia.org/wiki/HD_147513>16ч 24м 01с−39° 11′ 34″12.86G5V5700−0,0358 Эридана <https://ru.wikipedia.org/wiki/58_%D0%AD%D1%80%D0%B8%D0%B4%D0%B0%D0%BD%D0%B0>04ч 47м 36с-16° 56′ 04″13.31G1.5VH-05583097HD 211415 А <https://ru.wikipedia.org/wiki/HD_211415>22ч 18м 15с-53° 37′ 37″13.61G0 V592549-5447 Большой Медведицы <https://ru.wikipedia.org/wiki/47_%D0%91%D0%BE%D0%BB%D1%8C%D1%88%D0%BE%D0%B9_%D0%9C%D0%B5%D0%B4%D0%B2%D0%B5%D0%B4%D0%B8%D1%86%D1%8B>10ч 59м 27с+40° 25′ 48″14.07G0-1 V588783-10251 Пегаса <https://ru.wikipedia.org/wiki/51_%D0%9F%D0%B5%D0%B3%D0%B0%D1%81%D0%B0>22ч 57м 28с+20° 46′ 08″15.36G2.5IVa5665160

Требование того, что звезда должна находиться на Главной Последовательности сразу же накладывает ограничение на верхнюю границу массы звезды, которая равна 1.5 солнечным массам. Данное значение соответствует карликам спектрального типа <#"justify">3)Двойники Солнца

Эти звёзды ещё более похожи на Солнце, отвечают ещё более строгим критериям:.температура звезды не должна отличаться от температуры Солнца более чем на 50 градусов (то есть лежать в пределах от 5720 до 5830K);.металличность составляет 89-112 % от солнечной, причём подразумевается, что в протопланетном диске было столько же пыли, пригодной для формирования планет;.отсутствует какой-либо компаньон;.возраст отличается от возраста Солнца не более чем на 1 млрд. лет (то есть в пределах от 3,5 до 5,6 млрд. лет)

Под эти критерии подходят звёзды, представленные в таблице 2.3. Солнце добавлено для сравнения.

Самым точным двойником Солнца на 2007 год являлась звезда HD 101364, которая находится в созвездии Дракона. Её масса составляет 0,994±0,004 M☉, радиус - 1,14 R☉, светимость - 1,35 L☉, температура - 5747,9K. Находится на расстоянии 64±3 парсека.

Таблица 2.3 - Звёзды-двойники Солнца

НазваниеКоординатыРасстояние (пс)Спектральный классТемпра(K)Металличность (%)Возраст (млрд. лет)Прямое восхождениеСклонениеСолнце--0,00G2V57781004,6Бета Гончих Псов12ч 33м 45с+41° 21′ 26″8.40G0V6.045705,318 Скорпиона16ч 15м 37с-08° 22′ 06″13.83G2Va5835102,53,437 Близнецов06ч 55м 19с+25° 22′ 32″17.26G0V6024665,5HD 4459406ч 20м 06с-48° 44′ 28″25.57G4V56801554,6HD 13857315ч 32м 44с+10° 58′ 06″30.97G5IV-V571093,37,8HD 14209315ч 52м 01с+15° 14′ 09″21.46G2V5841985,0HD 19503420ч 28м 12с+22° 07′ 44″36.79G2V5720914,6HD 9861811ч 21м 30с+58° 29′ 04″30.97G5V58511014,7HD 14343616ч 00м 19с+00° 08′ 13″43.23G057681003,8HD 12935714ч 41м 22с+29° 03′ 32″47.22G2V5749998,2HD 13360015ч 05м 13с+06° 17′ 24″52.43G058081016,3HD 10136411ч 40м 29с+69° 00′ 31″66.53G5V5783100,54,7

2.2Классическая обитаемая зона

Классическая обитаемая зона - это диапазон расстояний от звезды, где вода на поверхности планет земного типа будет в жидкой фазе.

Судя по земной жизни, наличие воды - важнейшее условие для существования жизни после источника энергии. Но не исключено, что этот вывод является следствием ограниченности наших знаний. Если будет открыта жизнь, не требующая воды (например, на основе жидкого аммиака), то это сильно изменит представления о зоне обитаемости, следовательно, жизнепригодным окажется намного больший объём пространства. Появится понятие зоны обитаемости для каждого типа жизни. Зона, пригодная для водно-углеродной жизни (аналогичной земной), будет лишь частным случаем.

Отмечают два фактора стабильности зоны обитаемости:

.Её границы не должны сильно изменяться со временем.

Конечно, светимость всех звезд постепенно возрастает, и зона обитаемости от звезды отодвигается. Но если это происходит слишком быстро (как, к примеру, в случае сверхмассивных звёзд), то планеты будут находиться внутри обитаемой зоны недолго, и шанс возникновения на них жизни категорически мал.

.Отсутствие вблизи зоны обитаемости сверхмассивных тел, таких как планеты-гиганты, чье гравитационное воздействие могло бы препятствовать образованию землеподобных планет.

Например, пояс астероидов показывает, что рядом с Юпитером отдельные тела не смогли соединиться в планету из-за его резонансного действия. Если бы появилась планета, подобная Юпитеру, между Венерой и Марсом, то Земля почти наверняка не смогла бы приобрести свой нынешний вид. Однако газовый гигант в обитаемой зоне при стечении благоприятных условий мог бы иметь обитаемые спутники, [21].

В Солнечной системе планеты земной группы расположены внутри, а газовые гиганты - снаружи. Но результаты исследований экзопланет показывают, что эта схема не является универсальной. Довольно часто гигантские планеты находятся близко к звезде, разрушая потенциальную зону обитаемости. Однако в списке известных экзопланет таких случаев много только потому, что их намного легче обнаруживать. Поэтому пока что неизвестно, какой тип планетных систем преобладает.

Со временем светимость изменяется практически у всех звёзд. НО амплитуда переменности у разных звёзд сильно отличается. Звёзды в середине Главной Последовательности относительно стабильны, в то время как большинство красных карликов внезапно и интенсивно вспыхивают. Планеты около таких звёзд малопригодны для жизни, так как сильные и резкие изменения температуры весьма неблагоприятны. Кроме того, увеличение светимости сопровождается увеличением потока рентгеновского и гамма-излучения, которое тоже вредно для живых организмов. Атмосфера смягчает такое воздействие. Например, двукратное увеличение светимости звезды не обязательно приведёт к двукратному увеличению температуры на планете. Но под действием излучения подобной звезды атмосфера может попросту улетучиться.

В случае же Солнца переменность незначительна. Его светимость на протяжении 11-летнего солнечного цикла меняется всего на 0,1%. Однако есть сильные признаки того, что даже небольшие колебания светимости Солнца могут значительно влиять на климат Земли даже на протяжении исторического времени. Например, Малый ледниковый период в середине II тысячелетия н. э. (данный период является наиболее холодным по среднегодовым температурам за последние 2 тысячи лет) мог быть следствием относительно длительного понижения светимости Солнца, [22]. Таким образом, звезда должна быть не настолько переменной, чтобы изменения её светимости могли оказывать влияние на возможную жизнь.

Любая звезда, находящаяся на Главной Последовательности, состоит в основном из водорода и гелия. Содержание других химических элементов может сильно варьировать. Чем больше металлов в протозвезде, тем больше их и в её протопланетном диске. Как было сказано в начале работы, в бедном металлами диске появление планет затруднено. Они, почти наверняка, будут маломассивными и неблагоприятными для жизни.

Спектроскопические исследования систем, где были найдены экзопланеты, подтверждают взаимосвязь между высокой концентрацией металлов в звёздах и образованием планет: «звёзды с планетами (по крайней мере, подобными известным сегодня) явно богаче металлами, чем звёзды, не имеющие планет», [23]. <https://ru.wikipedia.org/wiki/%C6%E8%E7%ED%E5%EF%F0%E8%E3%EE%E4%ED%EE%F1%F2%FC_%EF%EB%E0%ED%E5%F2%FB> Из необходимости высокой металличности следует необходимость относительной молодости звезды. Звёзды, которые возникли в начале истории Вселенной, бедны металлами и имеют меньше шансов на формирование вокруг них планет, нежели более молодые звёзды.

2.3Границы обитаемой зоны

Обитаемая зона в планетной системе имеет внутреннюю и внешнюю границы, которые были установлены исходя из требования наличия на находящихся в ней планетах воды в жидком состоянии, поскольку она является необходимым растворителем во многих биомеханических реакциях.

За внешней границей обитаемой зоны планета не получает достаточно солнечной радиации, чтобы компенсировать потери на излучение. Поэтому её температура опускается ниже точки замерзания воды. Планета, расположенная ближе к светилу, чем внутренняя граница обитаемой зоны, будет чрезмерно нагреваться внешним излучением, в результате чего вода испарится.

Расчет положения границ зоны обитаемости и их смещения со временем довольно сложен (в частности, из-за отрицательных обратных связей в CNO-цикле, способных сделать звезду более стабильной). Даже для Солнечной системы оценки границ обитаемой зоны варьируют в широких пределах. Кроме того, возможность существования на планете жидкой воды сильно зависит и от физических параметров самой планеты, [24].

Формулы для расстояний до внутренней и внешней границ обитаемой зоны можно получить из уравнений теплового баланса для планет, которые находились бы на этих расстояниях. Запишем уравнение теплового баланса математически в дифференциальной форме, то есть для единичной площади поверхности планеты, когда звезда находится в зените.

Равновесный поток энергии излучения тела:

(2.1)

Энергия, излучаемая звездой, которую поглощает планета:

(2.2)

где E - освещенность, А - альбедо планеты.

Тогда уравнение теплового баланса в дифференциальной форме имеет вид:

(2.3)

Освещённость, по определению, - это количество энергии, падающей на единицу площади за 1 секунду. Её можно выразить через температуру звезды и расстояние между звездой и планетой:

(2.4)

где r - расстояние между звездой и планетой. Найдем это расстояние из уравнения теплового баланса:

(2.5)

Чтобы рассчитать границы обитаемой зоны в эту формулу надо подставить радиус и эффективную температуру звезды, предполагаемое альбедо экзопланеты и требуемую температуру на границах зоны обитания.

Также можно рассчитать границы иначе, используя освещенность, создаваемую звездой на каждой границе, [25]. Эта освещенность в основном зависит от светимости, L, но в какой-то степени и от эффективной температуры, Те, звезды. Чем ниже температура, тем больше инфракрасная часть излучения. Чем больше инфракрасное излучение, тем больше тепловой эффект на планете. Обозначим критическую освещенность на внутренней границе обитаемой зоны Sbriе), тогда имеем уравнение для нее в единицах солнечной постоянной:

(2.6)

и уравнение для критической освещенности на внешней границе обитаемой зоны:

(2.7)

где Те в градусах Кельвина. Тогда расстояния от звезды до границ обитаемой зоны, в а.е.:

(2.8)

(2.9)

где L - светимость звезды в солнечных единицах и Sbri(Te) и Sbro(Te) в единицах солнечной постоянной.

Светимость, L, и эффективная температура, Тe, находятся из наблюдений звезд. Получим уравнение для светимости, L, в солнечных единицах. Видимая и абсолютная звёздные величины связаны формулой:

(2.10)

где r - расстояние до звезды в парсеках, mv - видимая звёздная величина, Mv - абсолютная звёздная величина. Болометрическую звёздную величину можно найти из формул:

(2.11)

(2.12)

где Mbol- болометрическая звёздная величина, ВС - болометрическая поправка. Выразим, подставим, получим:

(2.13)

(2.15)

(2.16)

Избавимся от десятичного логарифма, получим выражение для светимости, в солнечных единицах:

(2.17)

Теоретические расчеты показали, что климат планет вблизи внешней границы зоны обитаемости может быть неустойчивым. Он будет колебаться между длительными холодными и редкими тёплыми периодами. В итоге, вероятно, высокоразвитая жизнь на таких планетах возникнуть не сможет. Это может наложить существенные ограничения на размеры зон обитаемости в сторону их уменьшения.

Как же зависят границы обитаемой зоны от физических характеристик звезды? Чтобы найти границы классической обитаемой зоны, необходимо знать светимость звезды и ее эффективную температуру. Эффективную температуру, Те, можно определить, изучив спектр или показатели цвета звезды с помощью шкалы эффективных звёздных температур. Чтобы получить светимость, L, требуются расстояние до звезды, d, видимая звездная величина, V, и болометрическая поправка, BC. Поправка зависит от спектрального класса и класса светимости.

Какова точность вычисления светимости, L, и эффективной температуры, Те, на основе наблюдательных данных? При расчете L по уравнению (2.17) преобладающая неопределенность заключена в расстоянии до звезды, d. Многие из этих расстояний приходят из наблюдений со спутника «Гиппарх», где измеряемый параллакс имеет среднюю стандартную ошибку 0.97x10-3 угловой секунды, [26], [27] . Для расстояния в 100 парсек это ±10%. Из уравнений (2.10) - (2.17) видно, что это приводит к ±10% неопределенности в расстоянии между звездой и планетой, r. Значения эффективной температуры, Те, имеют меньшую неопределенность. Кроме того, бывает, что критическая освещённость, Sb, слабо зависит от Те (формулы (2.6-2.7)). Например, для наших критериев границ обитаемой зоны, при Те=5700K, изменение Те на 300K изменяет Sb на каждой границе только на 5%. Помимо этого, расстояние, r, вычисляется как квадратный корень из L и Sb (уравнения (2.8-2.9)). Таким образом, чувствительность к светимости, L, и критической освещённости, Sb, уменьшается примерно вдвое. Неопределенности в L значительны, но не серьезны.

Также по возрасту звезды можно оценить, успеет ли возникнуть жизнь на планетах земных масс, которые могут присутствовать. Непосредственно возраст звезды можно определить посредством спектрального анализа.

2.4Эффективный радиус земной орбиты

Выведем формулу, по которой можно рассчитать расстояние от звезды, на котором энергия излучения звезды, попадающая на планету, равна энергии излучения Солнца, падающей на Землю. С учетом отражательной способности планеты (альбедо), ее освещенность, когда звезда в зените, можно вычислить по формуле:

(2.18)

где L* - светимость звезды, А - альбедо планеты. Отсюда расстояние экзопланеты от ее звезды:

(2.19)

Например, по формуле (2.19), для системы Земля - Солнце:

(2.20)

Потребуем, чтобы освещенность на экзопланете равнялась освещенности от Солнца на Земле, и найдем расстояние от звезды до экзопланеты:

(2.21)

где - расстояние от звезды до экзопланеты, в астрономических единицах, на котором энергия излучения звезды, попадающая на планету, равна энергии излучения Солнца, падающей на Землю. От отношения светимостей звезды и Солнца можно перейти к отношению их эффективных температур и радиусов:

(2.22)

Это расстояние от звезды до планеты можно назвать радиусом эффективной земной орбиты, если эксцентриситет орбиты невелик. По определению: эффективная земная орбита - орбита, на которой планета имела бы климат, подобный земному.

Также радиус эффективной земной орбиты для конкретной звезды описывается уравнением:

,(2.23)

где - радиус эффективной земной орбиты, в астрономических единицах, - светимость звезды, - светимость Солнца.

Один из неожиданных статистических результатов поиска экзопланет - это обнаружение планет-гигантов, подобных Юпитеру, на очень малых расстояниях от звезды, даже меньше 0.1 а.е. Согласно теории происхождения планетных систем, планеты-гиганты не могут образоваться на малых расстояниях от звезды, поскольку для этого не хватит протопланетного вещества. Объяснить этот наблюдаемый факт можно, если предположить миграцию планет после их образования в сторону звезды. Происходит миграция вследствие потери орбитального углового момента, практически сформировавшейся планетой из-за ее торможения в оставшемся протопланетном веществе. Но такая миграция планет-гигантов разрушает малые планеты, уже образовавшиеся на близких расстояниях от звезды. Следовательно, присутствие планет-гигантов в звездных системах на малых расстояниях от звезды свидетельствует, что наличие планет, пригодных для жизни, в этих системах маловероятно.

2.5Экзопланеты в обитаемой зоне

Рассмотрим список потенциально жизнепригодных экзопланет. Он отсортирован по критерию сходства с Землёй с использованием индекса подобия Земле, который разработан Лабораторией жизнепригодности планет при Университете Пуэрто-Рико в Аресибо, [28]. В таблице используется ряд индексов:

Индекс подобия Земле (ИПЗ) (Earth Similarity Index - ESI) - параметр, который показывает, насколько экзопланета соответствует Земле. Индекс принимает значения в диапазоне от 0 до 1, где «1» соответствует полной идентичности Земле.

Основной уровень жизнепригодности (ОУЖ) (Standard Primary Habitability - SPH) - параметр, определяющий водно-тепловую пригодность климата планеты для существования наземной растительности. Принимает значения от 0 до 1, где «1» - наиболее пригодные для жизни условия. Является функцией от температуры поверхности и относительной влажности. Значение «1» присваивается планетам со средней приповерхностной температурой 25 °C, «0» - планетам с температурой выше 50 °C и ниже 0 °C. Для экзопланет используется только температурная составляющая. Предполагается, что на планете присутствует вода.

Удалённость от обитаемой зоны (УоОЗ) (Habitable Zones Distance - HZD) - параметр, определяющий удалённость планеты от центра обитаемой зоны родительской звезды. Значению «0» соответствует центр обитаемой зоны, −1 и +1 - её внутренний и внешний края. Является функцией от светимости звезды, её температуры, а также расстояния до планеты.

Состав обитаемой зоны (СОЗ) (Habitable Zone Composition - HZС) - параметр, который определяет состав экзопланеты. Значения близкие к «0» соответствуют телам, состоящим из смеси железа, камня и воды. Значения ниже «-1» - тела, состоящие преимущественно из железа, а значения выше «+1» - тела, состоящие преимущественно из газа. Зависит от массы и радиуса планеты.

Атмосфера обитаемой зоны (АОЗ) (Habitable Zone Atmosphere - HZA) - параметр, характеризующий возможность экзопланеты держать атмосферу. Значения ниже «-1» обозначают тела со слабой атмосферой или без нее. Значения выше «+1» - тела, с плотной водородной атмосферой. Значение «0» не обязательно обозначает идеальные условия. Зависит от массы, радиуса, орбиты вращения планеты и светимости звезды.

Планетный класс (Planetary Class - pClass) - параметр, характеризующий планетные тела в виде комбинации из трёх температурных классов и семи категорий масс. Температурный класс зависит от положения планеты относительно обитаемой зоны. Может быть трёх видов: горячий, тёплый и холодный. Категория масс подразделяется на следующие типы: астероид, меркурий, миниземля, земля, суперземля, нептун и юпитер.

Класс жизнепригодности (Habitable Class - hClass) - параметр, который является классификацией только жизнепригодных миров. Состоит из пяти температурных категорий (рисунок 2.1):

)гипопсихропланеты (hP, очень холодные планеты), температура от −100 до −50 °C;

)психропланеты (Р, холодные планеты), температура от −50 до 0 °C;

)мезопланеты (М, планеты со умеренной температурой), температура от 0 до 50 °C;

)термопланеты (Т, горячие планеты), температура от 50 до 100 °C;

)гипертермопланеты (hT, очень горячие планеты), температура от 100 до 150 °C.

Рисунок 2.1 - классификация жизнепригодных планет по температурам.

Универсальный класс NH применяется для обозначения непригодных для жизни планет.

Температура Tп средняя приповерхностная температура атмосферы в градусах Кельвина. Расчёт основан на предположении, что планета имеет атмосферу, подобную земной, с парниковым эффектом за счет наличия 1% СО2 и при альбедо 0,3.

На 25 января 2015 года в каталоге жизнепригодных экзопланет (Habitable Exoplanets Catalog) представлено 48 обнаруженных потенциально пригодных для жизни экзопланет. Но из них только 15 были подтверждены. Данные представлены в таблице «Потенциально жизнепригодные экзопланеты», (см. приложение). Также для сравнения в список добавлены четыре планеты земной группы Солнечной системы.

Чуть больше дюжины планет за 5 лет исследований - не так уж и много, но лучше, чем ничего. Отталкиваясь от индексов, толком ничего нельзя сказать. Можно лишь перечислить ряд наиболее похожих на Землю планет и примерно сопоставить. Об условиях на самой планете можно только догадываться.. Поэтому рассмотрим таблицу 2.4. Она основана на данных этой же Лаборатории при Университете Пуэрто-Рико в Аресибо, [28]. Также при её составлении за основу взят индекс подобия Земле (планеты отсортированы по уменьшению индекса), но вместо совокупности других различных индексов предоставлены физические характеристики подтверждённых экзопланет. Данные от 12 апреля 2015 года.

Масса планет представлена в массах Земли, радиус - в радиусах Земли, средний звездный поток планеты (Flux) - в земных потоках (средний звёздный поток Земли = 1,0 Fз), температура - в градусах Кельвина, период - в днях и расстояние выражено в парсеках.

В данной таблице присутствуют всего 30 экзопланет: 10 планет земного размера и 20 - суперземель. Суперземля - это класс планет, масса которых больше массы Земли, но значительно меньше массы газовых гигантов.

Таблица 2.4 - Подтверждённые потенциально жизнепригодные планеты.

ИмяТипМасса (MЗ)Радиус (RЗ)Flux (FЗ)T экв (К)Период (дней)Расст. (пс)ИПЗ1Kepler-438 bK-Warm Terran4.0 - 1.3 - 0.61.11.3827635.21450.882Kepler-296 e <#"justify">Сразу бросается в глаза то, что все планеты больше Земли. Это вызвано несовершенством оборудования. Чем больше планета, тем её легче обнаружить. Но слишком маленькие планеты пока, если так можно выразиться, не по зубам нынешним земным технологиям. Тем не менее, каждый день обнаруживаются всё новые планеты и ранее неизведанные космические тела. Рассмотрим более подробно некоторые планеты.

.Анализ таблицы: обзор некоторых планет в обитаемой зоне

Выберем из таблицы 2.4 несколько планет.

Kepler-22 b: это первая суперземля в обитаемой зоне, найденная космическим телескопом «Кеплер» (отсюда и название), индекс подобия Земле - 0.71.

Kepler-62 e: суперземля, входит в состав планетной системы из пяти планет. Экзопланета была обнаружена космическим телескопом «Кеплер». Индекс подобия Земле - 0.83.

GJ 667C c (другое название Gliese 667C c): планета интересна тем, что вращается вокруг звезды, которая входит в состав системы из трёх звёзд. Имеет довольно высокий индекс подобия Земле - 0.84.

Рассчитаем границы обитаемых зон для их родительских звёзд. Вычислим ускорения свободного падения для звёзд и планет. Температуры планет. Сравним с Солнечной Системой и Землей.

3.1Kepler-22 b

Планета вращается вокруг звезды Kepler-22 (Таблица 3.1).

Таблица 3.1 - Родительская звезда Kepler-22

СозвездиеЛебедьСклонение45°53′04′′Прямое восхождение19°16′52′′Расстояние от Солнца, пк190Спектральный классG5Видимая звёздная величина11.66Масса, в массах Солнца0.97±0.06Радиус, в радиусах Солнца0.979±0.02Эффективная температура, К5518±44Светимость, в светимостях Солнца0.79Металличность [Fe/H]-0.29±0.06Возраст, млрд. лет-Кратность звездыОдиночная

Радиус эффективной земной орбиты можно найти по формуле (2.23), зная светимость родительской звезды и светимость Солнца. Светимость можно найти по формуле:

(3.1)

где S - площадь поверхности звезды (считаем объект сферически симметричным), H - поток излучения от звезды, R - радиус звезды, σ - постоянная Стефана-Больцмана, T - эффективная температура звезды. Перепишем формулу (2.23):

(3.2)

=7·105 км, =5778К. Тогда радиус эффективной земной орбиты для Kepler-22:

а.е., (3.3)

Внутреннюю и внешнюю границы обитаемой зоны можно найти по формулам (2.6) - (2.9) соответственно. Подставим, получим:

(3.4)

и на внешней границе обитаемой зоны:

(3.5)

Тогда внутренняя и внешняя границы обитаемой зоны:

(3.6)

(3.7)

Большая полуось планеты Kepler-22 b немного меньше радиуса эффективной земной орбиты. Расстояние от Kepler-22 b до Kepler-22 меньше, чем расстояние от Земли до Солнца. Но при этом световой поток от материнской звезды также меньше, чем от Солнца. Сочетание меньшего расстояния от звезды и меньшего светового потока предполагает умеренную температуру на поверхности планеты.

В таблице 3.2 отображены физические характеристики планеты, вращающейся вокруг звезды Kepler-22. Планета одиночная.

Таблица 3.2. - Характеристики планеты Kepler-22 b

ПланетаKepler-22 bГод открытия2011Большая полуось, а.е.0.849±0.018M, масс Юпитера0.11Радиус, в радиусах Юпитера0.21±0.012Орбитальный период, дней289.862±0.02Эксцентриситет-Аргумент перицентра(омега)-Наклонение орбиты i89.76±0.04

Рисунок 3.1 - Орбита планеты Kepler-22 b

На рисунке 3.1 изображена орбита планеты в предположении нулевого эксцентриситета. Радиус эффективной земной орбиты показан зелёным.

Вычислить и оценить значение температуры можно по формуле:

(3.8)

где A - альбедо, R* - радиус родительской звезды, a - большая полуось орбиты планеты, T* - температура родительской звезды. Предполагаем, что планета земного типа и находится в обитаемой зоне, подобной земной, следовательно, и альбедо равно земному и составляет 0.367. Тогда, подставляя данные, получаем температуру поверхности планеты Kepler-22 b:

(3.9)

Средняя по поверхности эффективная температура Земли, рассчитанная по данной формуле, составляет 249 К. Средняя же по поверхности температура в основании тропосферы - 288 К. Эта разница вызвана тем, что жесткое солнечное излучение поглощается вышележащими слоями атмосферы, а излучение в видимой области спектра практически не поглощается в тропосфере, зато поглощается поверхностью Земли. Максимум излучения поверхности планеты лежит в инфракрасной области. Это излучение поглощается газами тропосферы. Получается, что тропосфера нагревается фактически снизу. Это явление называется парниковым эффектом. В тропосфере сосредоточено около 90% массы атмосферы и именно в этом атмосферном слое протекают процессы, непосредственно определяющие погодные условия на Земле.

Таким образом, на примере Земли видно, что расчёты без учёта атмосферы приводят к ошибке величины температуры планеты в меньшую сторону. Следовательно, чтобы получить более или менее точное значение температуры экзопланеты, необходимо учесть влияние ее атмосферы. Но определение влияния последней, а тем более её состав, в настоящее время является проблематичной задачей.

В соответствии с законом всемирного тяготения, значение гравитационного ускорения на поверхности Земли или другой планеты можно связать с массой и радиусом планеты соотношением:

(3.10)

где G - гравитационная постоянная, равная 6.67·10-11 м3/(с2·кг), M и r - масса и радиус планеты соответственно. Подставим, получим. Для Kepler-22 и планеты:

(3.11)

(3.12)

На Солнце ускорение свободного падения составляет 274 м/с2. На Земле же оно составляет g=9.81 м/с2, что в 6.6 раз меньше, чем на планете Kepler-22 b.

Для подтверждения планетной природы этого кандидата исследователи тщательно проверили и исключили те физические процессы, которые могут имитировать транзитный сигнал от планеты, который приводит к ложным открытиям. 3 июля 2010 года были получены снимки самых ближайших окрестностей звезды Kepler-22 на 5-метровом телескопе Паломарской обсерватории, с целью исключить затменно-двойные звезды фона. С этой же целью были получены спектры звезды с высочайшим качеством для поиска следов другого звездного спектра. Отсутствие такого спектра, а также отсутствие вторичного минимума на кривой блеска Kepler-22 утвердил ученых в мысли, что они имеют дело именно с планетой, [29].

Оценим плотность планеты. Для этого воспользуемся формулой:

(3.13)

Плотность Земли составляет 5.5 г/см3. То есть, плотность Kepler-22 b почти в 3 раза больше плотности Земли.

Позже было установлено, что планета представляет собой мини-нептун. Мини-нептун (или Газовый карлик) - это класс планет, размер которых меньше размера Урана и Нептуна, а масса не превышает 10 MЗ. Такие планеты имеют плотную водородно-гелиевую атмосферу. У них могут встречаться каменистые и ледяные слои, а так же океаны из жидкой воды, аммиака или смеси эти веществ. Газовые карлики имеют небольшие ядра, которые состоят из летучих веществ с низкой плотностью. При отсутствии плотной атмосферы могли бы быть классифицированы как водные планеты.

3.2Kepler-62 e

Эта звезда главной последовательности немного меньше и прохладнее Солнца. Отличается пониженным содержанием тяжелых элементов - их в 2.3 раза меньше, чем в составе Солнца. Физические характеристики звезды представлены в таблице 3.3.

Таблица 3.3 - Родительская звезда Kepler-62

СозвездиеЛебедьСклонение45°21′00′′Прямое восхождение18°52′51′′Расстояние от Солнца, пк368Спектральный классK2VВидимая звёздная величина13.75Масса, в массах Солнца0.69±0.02Радиус, в радиусах Солнца0.64±0.02Эффективная температура, К4925±70Светимость, в светимостях Солнца0.22Металличность [Fe/H]-0.37±0.04Возраст, млрд. лет7±4Кратность звездыОдиночная

По аналогии с вычислениями для Kepler-22, получим радиус эффективной земной орбиты для Kepler-62:

а.е., (3.14)

что в 2 раза меньше, чем для Солнца. Границы обитаемой зоны:

(3.15)

(3.16)

(3.17)

(3.18)

Довольно широкая обитаемая зона. Вокруг звезды вращаются пять планет. В таблице 3.4 предоставлены характеристики планетной системы.

Таблица 3.4 - Планетная система звезды Kepler-62

ПланетаKepler-62 bKepler-62 cKepler-62 dKepler-62 eKepler-62 fГод открытия20132013201320132013Большая полуось, а.е.0.0553±0.00050.0929±0.00090.12±0.0010.427±0.0040.718±0.007M, масс Юпитера0.02830.01260.0440.1130.11Радиус, в радиусах Юпитера0.117±0.0040.048±0.0040.174±0.0060.144±0.0040.126±0.006Орбитальный период, дней5.71493±0.0000112.4417±0.000118.16406±0.00002122.3874±0.0008267.29099±0.005Эксцентриситет-----Аргумент перицентра(омега)-----Наклонение орбиты i89.2±0.489.7±0.289.7±0.389.98±0.0289.9±0.03

Рисунок 3.2 - Орбиты планетной системы возле звезды Kepler-62

На рисунке 3.2 изображены орбиты внутренней и внешней частей системы Kepler-62. Предполагается нулевой эксцентриситет.

Эффективный радиус земной орбиты в 2 раза меньше, чем для системы Солнце-Земля. Но с учётом того, что родительская звезда гораздо меньше и тусклее Солнца, четвертая планета этой системы, Kepler-62 е, должна получать необходимое количество энергии. Её большая полуось практически совпадает с радиусом эффективной земной орбиты. Вращается чуть ближе к звезде, нежели проходит радиус эффективной земной орбиты. Оценим эффективную температуру планеты, воспользовавшись той же формулой, с помощью которой вычислялась температура для Kepler-22 b:

(3.19)

Если учесть, что атмосферой пренебрегаем, то можно сделать вывод, что температура должна быть даже немного выше, чем на Земле. Аналогично предыдущей системе, для родительской звезды и планеты Kepler-62 e ускорение свободного падения на поверхности:

(3.20)

(3.21)

что в 1.67 раз больше, чем на Солнце и в 14.4 раза больше, чем на Земле.

Плотность планеты составляет:

(3.22)

Это слишком нереальные числа. Не представляется возможным даже смоделировать планету с подобными характеристиками. Но в работе [30] есть предположение относительно массы планеты: в случае преимущественно водного состава масса планеты Kepler-62 e составляет 2-4 массы Земли (первая цифра соответствует составу 75% воды и 25% силикатов, вторая - 15% воды и 85% силикатов). Глубина глобального океана оценивается в 80-150 км, ниже вода переходит в форму льда. Кроме углекислого газа в атмосфере может присутствовать водяной пар, азот и кислород (последний - при наличии жизни), а также следы метана и инертных газов.

Тогда, если взять среднюю массу, равную 3 массам Земли, ускорение свободного падения составляет:

(3.23)

и, соответственно, плотность:

(3.24)

Такие значения кажутся более реальными. Значения совсем ненамного отличаются от данных на Земле. Если всё-таки данная масса является более правдоподобной (нежели значение в 36 масс Земли), то планета вполне удовлетворяет необходимым условиям для возникновения и поддержания жизни. Можно было бы сделать более точные выводы, имелись бы какие-либо точные сведения об атмосфере планеты.

3.3Gliese 667C c

667 или 142 Скорпиана - тройная система в созвездии Скорпиона, состоящая из двух оранжевых и одного красного карликов.

Компоненты A и B разделены между собой расстоянием 12,6 а. е. и движутся по вытянутой эллиптической орбите (e=0,58). Период обращения этих компонент составляет 42,15 года, их орбита повёрнута к земному наблюдателю под углом 128°.

Компонента C наименее изучена астрономами. Известно, что она удалена от компонент A и B примерно на 230 а.е. Вращается вокруг пары звёзд как одного целого. Это тусклый и холодный красный карлик спектрального класса M1.5V. Как и у большинства красных карликов, в её атмосфере происходят бурные процессы, похожие на солнечные вспышки, поэтому звезду относят к классу вспыхивающих переменных звёзд, [31]. Подробная информация представлена в таблице 3.5.

Таблица 3.5 - Родительская звезда Gliese 667C

СозвездиеСкорпионСклонение-34°59′23′′Прямое восхождение17°18′57′′Расстояние от Солнца, пк6.84±0.4Спектральный классM1.5VВидимая звёздная величина10.22Масса, в массах Солнца0.33±0.02Радиус, в радиусах Солнца0.42Эффективная температура3350±50Светимость, в светимостях Солнца0.013Металличность [Fe/H]-0.55±0.1Возраст, млрд. лет2Кратность звездыКратная

Радиус эффективной земной орбиты:

а.е. (3.25)

Это в 4 раза ближе, чем в Солнечной системе. Границы обитаемой зоны:

(3.26)

(3.27)

(3.28)

(3.29)

Довольно узкая обитаемая зона. Тем не менее, возле звезды было обнаружено две планеты, одна из которых вращается практически на внутренней границе обитаемой зоны. В таблице 3.6 отражены физические характеристики планет, вращающихся вокруг данной родительской звезды.

Таблица 3.6 - Характеристики планет системы Gliese 667C

ПланетаGliese 667C bGliese 667C cГод открытия20092011Большая полуось, а.е0.05040.12501±0.00009M, масс Юпитера0.0176±0.00090.0129±0.0019Радиус, в радиусах Юпитера--Орбитальный период, дней7.1999±0.000928.1±0.03Эксцентриситет0.15±0.050.27±0.1Аргумент перицентра(омега)12±20140±20Наклонение орбиты i--

Так как расстояние от родительской звезды до других звёзд системы довольно велико, их влияние никак не сказывается на планетной системе. Учитывая то, что родительская звезда представляет собой тусклый холодный красный карлик, масса которого в 3 раза, а радиус - в 2, меньше Солнца, то температурный режим внешней планеты, по данным первооткрывателей, соответствует температурному режиму Земли, [32]. Посчитаем, также в приближении земного альбедо:

(3.30)

Ускорение свободного падения для планеты Gliese 667C c определить невозможно, так как планета была открыта путём анализа колебаний лучевой скорости звезды, измеренной спектрографом HARPS. Метод лучевых скоростей позволяет определить только нижний предел массы планеты, но не радиус. В основном, он используется для проверки наличия планет при подтверждении открытий. Для родительской звезды ускорение свободного падения составляет:

(3.31)

Это в 1.86 раз больше, чем на Солнце.

Если наклонение ее орбиты i не слишком мало и, соответственно, масса не слишком велика (пока на этот счет нельзя сказать ничего определенного), парниковый эффект, создаваемый плотной (но не слишком плотной) атмосферой создаст на поверхности планеты вполне комфортные условия для существования примитивной (а может, и не слишком примитивной) жизни, [33]. Но опять за недостатком данных, какие-либо конкретные выводы нельзя сделать. Более того, наличие землеподобной планеты в звёздной системе - уже что-то удивительное.

Заключение

Цели и задачи, поставленные в этой работе, выполнены.

В первой главе были представлены имеющиеся статистические данные об экзопланетах. Рассмотрены вероятности наличия экзопланет в зависимости от металличности и спектрального класса родительских звёзд. Изучены различные типы планет в зависимости их массы и температуры. Приведены результаты статистических данных для орбитальных периодов и эксцентриситетов орбит экзопланет. Представлены данные касательно планетных систем.

Во второй главе рассматривались критерии для выбора звёзд, похожих на Солнце, а именно необходимые характеристики для звезд солнечного типа, звезд-аналогов Солнца и двойников Солнца. Раскрыто понятие галактической и классической обитаемой зон. Получены формулы для определения границ классической обитаемой зоны и радиуса эффективной земной орбиты. Проведен краткий обзор таблиц «Потенциально жизнепригодных экзопланет» и «Подтверждённых потенциально жизнепригодных планет».

В третьей главе изучены некоторые потенциально жизнепригодные планеты в обитаемой зоне и вычислены их физические характеристики, конкретно: границы обитаемых зон и ускорения свободного падения для звёзд, и температуры, плотности и ускорения свободного падения для планет. Данные вычислений сравнены с известными значениями величин для Солнечной Системы и Земли.

Расчёты показали, что на выбранных планетах (основываясь на имеющихся данных) жизнь, в привычном для нас виде, будет затруднительна. Слишком большое значение ускорения свободного падения. По крайней мере, на планете Kepler-22 b. Температурный режим на поверхности планеты должен быть вполне приемлемым, но если высокая плотность, в 3 раза больше, чем на Земле, не сильно мешает освоению, то с силой тяжести, которая в 6 раз выше земной, пока что ничего нельзя сделать. Хотя на фоне двух других выбранных планет, данная система больше всего похожа на солнечную.

На планете Kepler-62 e довольно комфортное значение поверхностной температуры. Если предположение насчёт массы в 3 массы Земли для Kepler-62 e справедливо, то условия будут вполне подходящими для поддержания, а может даже и возникновения, жизни.

Про Gliese 667C c пока что, к сожалению, нечего толком сказать нельзя, так как недостаточно данных наблюдений. Можно лишь заметить, что температура, без учёта атмосферы, на 15 градусов больше, чем на Земле. То есть, вероятно, если не исключать парниковый эффект, аналогичный земному, на поверхности планеты может быть жарковато. Более подробное изучение даст больше информации и позволит ответить на множество вопросов, относительно данной планеты. Например, наблюдения с помощью пока что не запущенного космического телескопа ATLAST, позволят установить возможность наличия жизни на Gliese 667C, так как расстояние позволит провести подробный анализ. Может быть, планета станет вторым приютом для людей. Но, не исключено, что на этой планете тоже окажется слишком большая сила тяжести.

Не смотря на то, что уже множество звёзд, планет, иных объектов было открыто и изучено, всё ещё множество вопросов остаются без ответа. Но прогресс неуклонно движется вперёд семимильными шагами, оставляя всё меньше «белых пятен». Так, например, к моменту запуска телескопа ATLAST (ориентировочно в 2029 году), планируется, что на Марсе с целью его колонизации будут трудиться уже 2 группы по 4 человека, [34]. Несомненно, и запуск столь мощного нового аппарата, и освоение новой планеты приведут к множеству новых удивительных открытий и вопросов, которые не возникли бы без последних.

Список литературы

1.Wandel, A. On the abundance of extraterrestrial life after the Kepler mission // International Journal of Astrobiology. - 2015. - Vol. 14. - N. 3. - P. 511-516.

.Aigrain, S., Hodgkin, S. T., Irwin, M. J. Precise time series photometry for the Kepler-2.0 mission // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. - 2015. - Vol. 447 - N. 3 - P. 2880-2893.

.Stahle, C., Clampin, M., Balasubramanian, K. A Future Large-Aperture UVOIR Space Observatory: Key Technologies and Capabilities // American Astronomical Society, AAS Meeting. - 2015.

.The Extrasolar Planet Encyclopaedia [электронный ресурс] / Catalog. - Режим доступа: (#"justify">.Traub, W. A. Terrestrial, Habitable-zone Exoplanet Frequency from Kepler // The Astrophysical Journal. - 2012. - Vol. 745. - N. 1. - P. 10.

.Santos, N. C., Israelian G., Mayor M. Confirming the Metal-Rich Nature of Stars with Giant Planets // The Future of Cool-Star Astrophysics: 12th Cambridge Workshop on Cool Stars , Stellar Systems, and the Sun. - 2003. - P. 148-157.

.Santos, N. C., Mayor, M., Naef, D. VizieR Online Data Catalog: The CORALIE survey for extrasolar planets // VizieR On-line Data Catalog. - 2001. - Vol. 32. - N. 6. - P. 234-236.

.Fischer, D. A.; Valenti, J. The Planet-Metallicity Correlation // The Astrophysical Journal. - 2005. - Vol. 622. - N. 2. - P. 1102-1117.

.Sato, B., Kambe, E., Takeda, Y. Radial-Velocity Variability of G-Type Giants: First Three Years of the Okayama Planet Search Program // Publications of the Astronomical Society of Japan. - 2005. - Vol.57. - N. 1. - P. 97-107.

.Bouchy, F., Pont, F., Moutou, C. Characterization of OGLE transiting exoplanets // SF2A-2005: Semaine de l'Astrophysique Francaise, meeting held in Strasbourg, France, June 27 - July 1. - 2005. - P. 185.

.da Silva, L., Girardi, L., Pasquini, L. Basic physical parameters of a selected sample of evolved stars // Astronomy and Astrophysics. - 2006. - Vol. 458. - N. 2. - P.609-623.

.Ida, S., Lin, D. N. C. Dependence of Exoplanets on Host Stars' Metallicity and Mass // Progress of Theoretical Physics Supplement. - 2005. - N. 158. - P. 68-85.

.Ida, S., Lin, D. N. C. Toward a Deterministic Model of Planetary Formation. II. The Formation and Retention of Gas Giant Planets around Stars with a Range of Metallicities // The Astrophysical Journal. - 2004. - Vol. 616. - N. 1. - P. 567-572.

.Alibert, Y., Mousis, O., Mordasini, C. Formation of (exo)planets // SF2A-2005: Semaine de l'Astrophysique Francaise, meeting held in Strasbourg, France, June 27 - July 1. - 2005. - P. 173.

.Udry, S., Mayor, M., Queloz, D. The CORALIE Planet-Search Sample // From Extrasolar Planets to Cosmology: The VLT Opening Symposium: Proceedings of the ESO Symposium Held at Antofagasta, Chile, 1-4 March 1999. - 2000. - P. 571.

.Marcy, G., Butler, R. P., Fischer, D. Observed Properties of Exoplanets: Masses, Orbits, and Metallicities // Progress of Theoretical Physics Supplement. - 2005. - N. 158. - P. 24-42.

.Pollack, J. B., Hubickyj, O., Bodenheimer, P. Formation of the Giant Planets by Concurrent Accretion of Solids and Gas // Icarus. - 1996. - Vol. 124. - N. 1. - P. 62-85.

.Mazeh, T., Krymolowski, Y., Rosenfeld, G. The High Eccentricity of the Planet Orbiting 16 Cygni B // The Astrophysical Journal. - 1997. - Vol. 477. - N. 2. - P. 103-106.

.Takeda, G., Rasio, F. A. High Orbital Eccentricities of Extrasolar Planets Induced by the Kozai Mechanism // The Astrophysical Journal. - 2005. - Vol. 627. - N. 2. - P. 1001-1010.

.Mamajek, E. E., Hillenbrand, L. A. Improved Age Estimation for Solar-Type Dwarfs Using Activity-Rotation Diagnostics // The Astrophysical Journal. - 2008. - Vol. 687. - N. 2. - P. 1264-1293.

.Williams, D., Kasting, J., Wade, R. Habitable moons around extrasolar giant planets // Nature. - 1977. - Vol. 385. - №6613. - P. 234-236.

.The Little Ice Age [электронный ресурс] / Department of Atmospheric Science. - Режим доступа: (#"justify">.Santos, N., Israelian, G., Mayor, M. Confirming the Metal-Rich Nature of Stars with Giant Planets, The Future of Cool-Star Astrophysics: 12th Cambridge Workshop on Cool Stars , Stellar Systems, and the Sun // University of Colorado. - 2003. - P. 148-157.

.Kasting, J., Whitmore, D., Reynolds, R. Habitable Zones Around Main Sequence Stars // Icarus. - 2013. - Vol. 101. - №1. - P. 108-128.

.Underwood, D., Jones B., Sleep P. The evolution of habitable zones during stellar lifetimes and its implications on the search for extraterrestrial life // International Journal of Astrobiology. - 2005. - Vol. 2. - №4. - P. 289-299.

.Perryman, M. A. C., Lindegren, L., Turon, C. The Scientific Goals of the GAIA Mission // Proceedings of the ESA Symposium `Hipparcos - Venice '97', 13-16 May, Venice, Italy, ESA SP-402 (July 1997). - 1997. - P. 743-748.

.Turnbull, M. C., Tarter J. C. Target Selection for SETI. I. A Catalog of Nearby Habitable Stellar Systems // The Astrophysical Journal. - 2003. - Vol. 145. - N. 1. - P. 42.

.Habitable exoplanets catalog [электронный ресурс] / Planetary Habitablity Laboratory. - Режим доступа: (#"justify">.Borucki, W., Koch, D., Batalha, N. Kepler-22b: A 2.4 Earth-radius Planet in the Habitable Zone of a Sun-like Star // The Astrophysical Journal. - 2012. - Vol. 745. - №2. - P. 16.

.Kaltenegger, L., Sasselov, D., Rugheimer, S. Water-planets in the Habitable Zone: Atmospheric Chemistry, Observable Features, and the Case of Kepler-62e and -62f // The Astrophysical Journal Letters. - 2013. - Vol. 775. - №2. - P. 5.

31.Anglada-Escudé, G., Tuomi, M., Gerlach, E. A dynamically-packed planetary system around GJ 667C with three super-Earths in its habitable zone // Astronomy & Astrophysics. - 2013. - Vol. 556. - P. 24.

.Robertson, P., Mahadevan, S. Disentangling Planets and Stellar Activity for Gliese 667C // The Astrophysical Journal Letters. - 2014. - Vol. 793. - №2. - P. 5.

.Bonfils, X., Delfosse, X., Udry, S. HARPS search for southern extra-solar planets. XXXI // Astronomy & Astrophysics. - 2013. - Vol. 549. - P. 75.

34.НЛО МИР. Интерне-журнал [электронный ресурс] / Проект Mars One. - Режим доступа: (#"justify">Интернет-источники:

1.<#"justify">Приложение

Потенциально жизнепригодные экзопланеты. Данные от 25 января 2015 года.

№НазваниеИПЗОУЖУОЗСОЗАОЗpClasshClassr, псСтатусГод открытия-Земля <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0%B5%D0%BC%D0%BB%D1%8F>1.000.72-0.50-0.31-0.52теплая земляМ0не экзопл.До-ист.1KOI-3284.01 <https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=KOI-3284.01&action=edit&redlink=1>0.900.88-0.93-0.14-0.73теплая земляМ373кандидат20112KOI-1686.01 <https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=KOI-1686.01&action=edit&redlink=1>0.890.42-0.63-0.16-0.13теплая супер-земляМ317кандидат20113KOI-3010.01 <https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=KOI-3010.01&action=edit&redlink=1>0.960.93-0.88-0.16-0.06теплая супер-земляМ145кандидат20114Gliese 667 Cc <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%BB%D0%B8%D0%B7%D0%B5_667_C_c>0.840.64-0.62-0.15+0.21теплая супер-земляМ7подтверждена20115KOI-4742.01 <https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=KOI-4742.01&action=edit&redlink=1>0.830.98-0.72-0.15+0.28теплая супер-земляМ396кандидат20116Kepler-62e <https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Kepler-62e&action=edit&redlink=1>0.830.96-0.70-0.15+0.28теплая супер-земляМ368подтверждена20137Gliese 832 c <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%BB%D0%B8%D0%B7%D0%B5_832_c>0.810.96-0.72-0.15+0.43теплая супер-земляМ5подтверждена20148Kepler-283c <https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Kepler-283c&action=edit&redlink=1>0.790.85-0.58-0.14+0.69теплая супер-земляМ459подтверждена20119KOI-2418.01 <https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=KOI-2418.01&action=edit&redlink=1>0.790.00-0.40-0.15+0.44теплая супер-земляP306кандидат201110KOI-2529.02 <https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=KOI-2529.02&action=edit&redlink=1>0.790.33-0.87-0.14+0.47теплая супер-земляМ411кандидат201111Tau Ceti e <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B0%D1%83_%D0%9A%D0%B8%D1%82%D0%B0_e>0.780.00-0.92-0.15+0.16теплая супер-земляМ4не подтверждена201212Kepler-296f <https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Kepler-296f&action=edit&redlink=1>0.780.15-0.90-0.14+0.53теплая супер-земляМ334подтверждена201113Gliese 180 c <https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Gliese_180_c&action=edit&redlink=1>0.770.42-0.53-0.14+0.64теплая супер-земляМ12не подтверждена201414Gliese 581 g <https://ru.wikipedia.org/wiki/Gliese_581_g>0.760.96-0.70-0.15+0.28теплая супер-земляP6спорная201015KOI-2474.01 <https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=KOI-2474.01&action=edit&redlink=1>0.760.00-0.93-0.15+0.25теплая супер-земляМ492кандидат201116Gliese 667 Cf <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%BB%D0%B8%D0%B7%D0%B5_667_C_f>0.770.00-0.22-0.16+0.08теплая супер-земляP7спорная201317KOI-2469.01 <https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=KOI-2469.01&action=edit&redlink=1>0.760.71-0.75-0.13+0.99теплая супер-земляМ477кандидат201118KOI-2992.01 <https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=KOI-2992.01&action=edit&redlink=1>0.760.52-0.54-0.13+1.06теплая супер-земляМ422кандидат201119KOI-4333.01 <https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=KOI-4333.01&action=edit&redlink=1>0.750.00-0.90-0.15+0.32теплая супер-земляT768кандидат201120Gliese 163 c <https://ru.wikipedia.org/wiki/Gliese_163_c>0.750.02-0.96-0.14+0.58теплая супер-земляМ15подтверждена201221Gliese 180 b <https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Gliese_180_b&action=edit&redlink=1>0.750.41-0.88-0.14+0.74теплая супер-земляМ12не подтверждена201422HD 40307 g <https://ru.wikipedia.org/wiki/HD_40307_g>0.740.04-0.23-0.14+0.77теплая супер-земляP13подтверждена201223KOI-854.01 <https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=KOI-854.01&action=edit&redlink=1>0.741.00-0.72-0.13+1.39теплая супер-земляМ330кандидат201124KOI-4550.01 <https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=KOI-4550.01&action=edit&redlink=1>0.741.00-0.82-0.13+0.97теплая супер-земляМ566кандидат201125Kepler-61b <https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Kepler-61b&action=edit&redlink=1>0.730.27-0.88-0.13+1.24теплая супер-земляМ326подтверждена201326KOI-4745.01 <https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=KOI-4745.01&action=edit&redlink=1>0.730.91-0.49-0.13+1.44теплая супер-земляМ786кандидат201127KOI-2762.01 <https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=KOI-2762.01&action=edit&redlink=1>0.730.10-0.27-0.14+1.01теплая супер-земляМ359кандидат201128KOI-1871.01 <https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=KOI-1871.01&action=edit&redlink=1>0.720.27-0.88-0.12+1.34теплая супер-земляМ361кандидат201129KOI-4036.01 <https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=KOI-4036.01&action=edit&redlink=1>0.720.99-0.77-0.12+1.49теплая супер-земляМ348кандидат201130Gliese 422 b <https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Gliese_422_b&action=edit&redlink=1>0.710.17-0.41-0.13+1.11теплая супер-земляМ13не подтверждена201431Kepler-22b <https://ru.wikipedia.org/wiki/Kepler-22b>0.710.53-0.64-0.12+1.79теплая супер-земляМ190подтверждена201132KOI-3282.01 <https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=KOI-3282.01&action=edit&redlink=1>0.710.04-0.92-0.12+1.43теплая супер-земляМ357кандидат201133KOI-4450.01 <https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=KOI-4450.01&action=edit&redlink=1>0.710.00-0.83-0.13+1.33теплая супер-земляМ783кандидат201134KOI-4054.01 <https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=KOI-4054.01&action=edit&redlink=1>0.700.00-0.91-0.12+1.30теплая супер-земляМ543кандидат201135KOI-4087.01 <https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=KOI-4087.01&action=edit&redlink=1>0.700.00+0.01-0.15+0.38теплая супер-земляP217кандидат201136Kepler-440b <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%B5%D0%BF%D0%BB%D0%B5%D1%80-440b>0.700.00+0.01-0.15+0.38теплая супер-земляP217подтверждена201537KOI-4583.01 <https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=KOI-4583.01&action=edit&redlink=1>0.690.07-0.23-0.12+2.03теплая супер-земляP1001кандидат201138Kepler-298d <https://ru.wikipedia.org/wiki/Kepler-298d>0.680.00-0.86-0.11+2.11теплая супер-земляМ4подтверждена201239KOI-4005.01 <https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=KOI-4005.01&action=edit&redlink=1>0.680.00-0.99-0.13+1.18теплая супер-земляT587кандидат201140Kapteyn b <https://ru.wikipedia.org/wiki/Kapteyn_b>0.670.00+0.08-0.15+0.57теплая супер-земляP4подтверждена201441Kepler-62f <https://ru.wikipedia.org/wiki/Kepler-62f>0.670.00+0.45-0.16+0.19теплая супер-земляP368подтверждена201342Kepler-186f <https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Kepler-186f&action=edit&redlink=1>0.640.00+0.48-0.17-0.26теплая земляP151подтверждена201443Kepler-174d <https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Kepler-174d&action=edit&redlink=1>0.610.00+0.32-0.13+1.77теплая супер-земляP269подтверждена201144Gliese 667 Ce <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%BB%D0%B8%D0%B7%D0%B5_667_C_e>0.600.00+0.51-0.16+0.23теплая супер-земляP7спорная201345KOI-2770.01 <https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=KOI-2770.01&action=edit&redlink=1>0.600.00+0.33-0.13+1.77теплая супер-земляP451кандидат201146Gliese 682 c <https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Gliese_682_c&action=edit&redlink=1>0.590.00+0.22-0.14+1.19теплая супер-земляP5не подтверждена201447KOI-4356.01 <https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=KOI-4356.01&action=edit&redlink=1>0.550.00+0.77-0.14+1.22теплая супер-земляP380кандидат201148Gliese 581 d <https://ru.wikipedia.org/wiki/Gliese_581_d>0.530.00+0.78-0.14+0.94теплая супер-земляhP6спорная2007-Венера <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%B5%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B0>0.780.00-0.93-0.28-0.70теплая земляhT0не экзопл.До-ист.-Марс <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B0%D1%80%D1%81>0.640.00+0.33-0.13-1.12теплая мини-земляhP0не экзопл.До-ист.-Меркурий <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D1%80%D0%BA%D1%83%D1%80%D0%B8%D0%B9_(%D0%BF%D0%BB%D0%B0%D0%BD%D0%B5%D1%82%D0%B0)>0.390.00-1.46-0.52-1.37горя-чий мер-курийNH0не экзопл.До-ист.

Похожие работы

 

Не нашел материала для курсовой или диплома?
Пишем качественные работы
Без плагиата!