Космохимия. Лекция 13, 2018(экзопланеты)

1. Лекция 13. Экзопланетные системы. Что нам дает их исследование. Результаты. Перспективы. Зачем нужно исследовать космос.

Философский, естественнонаучный и
практический аспекты проблемы.

2.

Содержание лекции13
1. Эзопланетные системы. Что нам дает их исследование.
Результаты. Перспективы.
2. Методы обнаружения экзопланет на примере транзитного метода
и метода измерения лучевых скоростей.
3. Понятие «зоны обитания», ее основные условия.
4. Планеты, потенциально пригодные для жизни (по результатам
исследований КТ «Кеплер»).
5. Экзопланеты, потенциально пригодные для жизни вокруг
карликовых звезд.
6. Экзолуны
7. Результаты исследования экзопланетных систем и их применение
в космогонии и космохимии. Перспективы. Понятие астрохимии и
астробиологии.
8. Зачем нужно исследовать Космос? Философский,
естественнонаучный и практический аспекты проблемы.

3.

Экзопланетные системы

4.

В 1984 г. был обнаружен пылевой диск вокруг звезды нашей Галактики –
Вега. В настоящее время у нескольких десятков звезд нашей Галактики
открыты как газопылевые, так и пылевые (осколочные) диски.

5.

С помощью высокогорной чилийской обсерватории ALMA, состоящей более
чем из 60-ти радиотелескопов получено изображение молодой звезды HL
Тельца, вокруг которой только начинает формироваться планетная система.
Возраст звезды ~ 1 млн. лет.
Промежутки в диске прочищены зародышами планет.
Эволюция каждого из обнаруженных дисков может привести к
образованию планетной системы, подобной нашей.
Они получили название экзопланетных систем, а планеты,
входящие в них экзопланетами.
Первая экзопланета была открыта в 1989г с этого открытия
30 лет назад начался новый этап в познании Вселенной –
поиск планетных систем вокруг звезд нашей Галактики.

6.

В зависимости от массы и радиуса экзопланеты подразделяются на:
земли (R < 1,25 RE , где RE — R Земли)
«суперземли» (1,25 RE < R < 2RE)
«нептуны»
(2 RE < R < 6 RE)
«юпитеры» (6 RE < R < 15 RE)
«суперюпитеры» (15 RE < R < 22 RE)
Общее количество экзопланет в галактике Млечный Путь в настоящее
время оценивается не менее чем в 100 миллиардов.
По проекту «Кеплер» на июнь 2017 года общее число планетных
кандидатов достигло 4034, из них 2335 уже подтверждены как
планеты. Для остальных кандидатов для получения ими статуса
подтверждённых планет требуется их повторная регистрация с
помощью наземных телескопов. Но эти значения постоянно
возрастают.

7.

МЕТОДЫ ОБНАРУЖЕНИЯ ЭКЗОПЛАНЕТ
В настоящее время существует около 10-ти
методов обнаружения экзопланет, но
практически все они косвенные –
о присутствии планеты судят по поведению
ее материнской звезды
Но самые результативные - это
1. Транзитный метод, им открыто
¼ всех экзопланет
2.
Метод измерения лучевых
скоростей родительских звезд,
им открыто 3/4 всех экзопланет

8.

9.

Метод измерения лучевых скоростей звезд (метод Доплера)
основан на том, что благодаря гравитации система двух тел звездапланета вращаются вокруг общего центра масс, вследствие чего
расстояние от звезды до наблюдателя изменяется.
Метод позволяет открыть только
очень крупные планеты, типа
Юпитера, отношение массы которой
к массе звезды не менее 0.001.
Наблюдатель
Звезда то приближается, то удаляется от наблюдателя

10. Эффект Доплера

когда источник света удаляется, то для наблюдателя частота
излучения источника уменьшается, возникает т.н. красное смещение.
Когда источник приближается,
частота его излучения возрастает
(голубое смещение)
Точность измерения ~1 м/c!
Сдвиг спектральных линий звезды, возникающий при ее колебании,
хорошо фиксируются. По направлению и величине сдвига можно
определить скорости и направление движение звезды, а затем определить
орбиту звезды и характеристики системы звезда-планета.
Метод основан на предположении, что элементный состав нашей Галактики
одинаков, поскольку за стандарт берутся лабораторные спектры.

11.

Транзитный метод – при прохождении планеты по дискам звезд
изменяется их кривая блеска. По этому изменению определяют
размер планеты, период ее вращения вокруг звезды и др.
Изменение светимости для
экзопланеты Kepler-6b.
При прохождении планеты по
диску звезды ее светимость
уменьшается на величину ~
Sпланеты /Sзвезды
На первых этапах чувствительность метода была 0.2 – 0.3% Возможность
метода определяется соотношением = (Rпланеты /Rзвезды)2 или Sпланеты /Sзвезды

12. Но вероятность обнаружения планеты методом транзита невелика – нужна т.н. транзитная конфигурация, которая реализуется

Прохождение Венеры или Земли по диску Солнца меняет его кривую
блеска на 0.01%, поэтому при наблюдении из окрестностей другой звезды
их обнаружить этим методом трудно. Юпитер на диске Солнца ослабляет
его светимость на 1%
Поэтому данным методом были открыты крупные планеты,
расположенные близко к своим звездам – «горячие Юпитеры»
Но вероятность обнаружения планеты методом транзита
невелика – нужна т.н. транзитная конфигурация, которая реализуется
достаточно редко
И все же методом транзита на сегодняшний день открыто большинство
экзопланет

13. Одно из важнейших открытий - открытие супер-Юпитеров - планет массой ~ MJup, но расположенных на орбитах Земли и ближе.

Известно, что в
Солнечной системе газовые гиганты могли образоваться только во внешнем
от «snow line» регионе. Был сделан вывод, что классическая теория
образования, разработанная для Солнечной системы – это только один из
возможных путей образования планетных систем

14.

Новый этап поиска экзопланет – запуск в
2009 г. на околоземную орбиту
космического телескопа «Кеплера». Он
был предназначен для поиск планет
земного типа. В его поле зрения находится
155 тыс. звезд, у 1790 обнаружены планеты и
даже планетные системы
поиск планет земного типа
в обитаемой зоне ведется
методом транзита,
чувствительность которого
была существенно повышена

15.

Основные наблюдения экзопланет и экзопланетных систем сейчас
проводятся с помощью космического телескопа им. Кеплера
Желтым цветом – новые кандидаты, впервые представленные 19 июня 2017 года.

16.

Данные «Кеплера» однозначно показывают, что небольших планет
(суперземель и мини-нептунов) гораздо больше, чем планет более
крупных размеров (нептунов и планет-гигантов).
Видимое распределение транзитных планет
«Кеплера» по размерам (в пересчете на 100 звезд).

17.

Предположительная связь размера, массы и положения экзопланет
относительно центральной звезды с их химическим составом

18.

Интерес к открытию экзопланет заключается прежде всего в том, чтобы
обнаружить обитаемую, или потенциально обитаемую планету в нашей
Галактике. Для этого нужно установить:
1. Р-Т характеристики звезды и удаленность планеты о нее;
2. Наличие у планеты атмосферы;
3. Найти, так называемые, биомаркеры – наличие в их атмосферах Н2О, О2
– необходимые для существования биологической жизни, подобно нашей
и СО2, СН4 - продукты жизнедеятельности биологических существ.
Для этого необходимы телескопы с зеркалами D = 30-40 м. – и они
уже создаются.
Недавно была завершена сборка зеркала нового инфракрасного космического
телескопа имени Джеймса Уэбба (James Webb Space Telescope, JWST), который
в 2019 г. должен продолжить работу по поиску экзопланет, начатую телескопом
Хаббл. Его собирающая поверхность состоит из 18-ти зеркал общей площадью
30 м2 (у Хаббла 5.3 м2).
Возможности телескопа Уэбб позволят
заглянуть в прошлое Космоса дальше, чем это
смог сделать телескоп им. Хаббла – на 13.4 млд.
лет назад.

19.

NASA’s exoplanet program, including ground-based observatories and spacebased observatories, like Hubble, Spitzer, Kepler, TESS, James Webb Space
Telescope, WFIRST and future missions.
TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) – транзитный космический телескоп для
изучения открытых и обнаружения ранее не известных транзитных экзопланет около ярких
звёзд. В НАСА объявили о запуске TESS в апреле 2018 года ракета SpaceX Falcon 9.
WFIRST (Wide Field Infrared Survey Telescope) — широкодиапазонный ИК телескоп, запуск
в середине 20-х годов

20.

С открытием экзопланет появилось понятие
«зоны обитания»
Это область вокруг звезды, в которой (экзо)планета
обладает условиями для биологической жизни.
Если эта жизнь подобна земной, то для нее как минимум нужны:
• жидкая вода,
• солнечная энергия,
• умеренные температуры.

21.

Зеленым цветом показано положение обитаемой зоны. Синим цветом
показаны уже подтвержденные планеты, – кандидаты. Размеры кружков
пропорциональны размерам планет.
Данные на 19 июня 2017 г.

22.

НОВОЕ! Экзопланеты, потенциально пригодные для жизни
вокруг карликовых звезд.
Наблюдения карликовых звезд с помощью телескопа «Кеплер» показало
отсутствие вокруг них крупных (типа Юпитера) планет. Это натолкнуло
планетологов на мысль, что у таких звезд формируются преимущественно
землеподобные небесные тела, более пригодные к жизни, чем "горячие
нептуны" и прочие газовые гиганты.
Летом 2016 г. британские астрономы впервые обнаружении систему из 7-ми планет
размером близким земному вращающиеся вокруг холодного красного карлика в
созвездии Водолея TRAPPIST 1, имеющего массу 15% МSolar. Две из них в 80 раз ближе
к звезде, чем Земля к Солнцу (приливные явления, синхронизация), но на третьей
планете температура вероятно позволяет присутствовать воде в жидком состоянии.
Планеты имеют атмосферы, а поскольку TRAPPIST 1 расположен относительно
недалеко от Солнца (39 световых лет), состав атмосфер возможно будет изучить с
помощью космического телескопа Habble.

23.

В августе 2016 г. британские астрономы обнаружили самую близкую к Земле
экзопланету земного типа ПРОКСИМА b, которая вращается вокруг красного
карлика ПРОКСИМА-ЦЕНТАВРА и находится на расстоянии всего 4.2
световых года от Солнца. Радиус планеты близок земному
Модели Alibert & Benz показали, что вокруг карликов образуются каменные планеты
с R=0.5-1,5R , аналогичные Проксиме b, которые могут содержать до 10% воды.
Задачей космического телескопа TESS (запуск в апреле 2018) - поиск
экзопланет в зоне обитания на ближайших к нам расстояниях.
Проксима Центавра,
снимок телескопа Хаббл
Проксима b в представлении художника

24.

Но кроме этих характеристик для
возможности существования
биологической жизни на планет
необходимо выполнение следующих
условий:
• Уровень гравитации планеты (давление на ее поверхности)
должен быть умеренным.
• Период вращения вокруг Солнца не слишком длительным.
• Планета должна обладать атмосферой, способной поглощать
внешнюю жесткую радиацию.
• Плотность лучистой энергии должна быть достаточна для
поддержания фотосинтеза.
• Планета должна обладать вулканизмом и/или геотектоникой,
чтобы обеспечить обмен вещества в верхней оболочке Земли.
24

25. Озон (O3)

Присутствие О3 в атмосфере – надежный
щит от ультрафиолетового излучения звезды
В атмосфере Земли, n(O3) < 10–6 n(O2), но в настоящее
время возможна регистрация полос поглощения
аналогичных содержаний озона в атмосферах экзопланет

26.

Роль магнитного поля экзопланеты
Жесткое космическое излучение разрушает большие органические
молекулы, являющиеся основой жизни. Магнитное поле
препятствует проникновению этого излучения на поверхность
планеты.
Металлическое ядро
Меркурия
намагничено, планета
имеет дипольное
магнитное поле,
которое обтекается
потоком солнечного
ветра

27.

Кроме планет земного типа, приют внеземной жизни могут
дать крупные спутники планет-гигантов, находящихся в
обитаемой зоне своих звезд.
Пять лет назад стартовала специальная научная
программа Hunt for Exomoons with Kepler, основная
задача которой — поиск спутников экзопланет
с использованием данных космического телескопа
Kepler.
После изучения снимков 280 экзопланет
ученые пришли к выводу, что газовый гигант Kepler1625b, может иметь спутник.
Сама планета Kepler-1625b,
по оценкам планетологов
весьма крупная – это газовый
гигант с массой вдвое меньше,
чем у Юпитера. Ее спутник
сравним по размерам
с Нептуном и удален от планеты
на 20R. Скорее всего это
захваченный объект.

28.

Рекомендации.
1. Прослушать лекции Владимира Георгиевича Сурдина http://rideo.tv/surdin/
2. Прочитать его книги
Сурдин Владимир Георгиевич— российский астроном, кандидат физ-мат.
наук, доцент МГУ, старший научный сотрудник Государственного
астрономического института им. Штернберга (ГАИШ) МГУ.
Область научных интересов простирается от происхождения и динамической
эволюции звездных систем до эволюции межзвездной среды
и формирования звезд и звездных скоплений. Автор 90 научных публикаций
и великого множества научно-популярных статей и выступлений в
электронных средствах массовой информации. Владимир Георгиевич читает
несколько курсов по астрономии и звёздной динамике в МГУ и популярные
лекции в Политехническом музее.
Сурдин В.Г.. Книги онлайн
http://www.koob.pro/surdin/

29.

Зачем мы исследуем Солнечную и
иные звездные системы?
Философский,
естественнонаучный и
практический аспекты проблемы.

30. СПОР ГРЕЧЕСКИХ ФИЛОСОФОВ

АРИСТОТЕЛЬ (348-322 д.н.э)
ЭПИКУР (341-270 д.н.э)
ЗЕМЛЯ – ЦЕНТР МИРА,
ОНА УНИКАЛЬНА,
ЧЕЛОВЕК – ВЕНЕЦ ТВОРЕНЬЯ
СУЩЕСТВУЕТ МНОЖЕСТВО
ОБИТАЕМЫХ МИРОВ
Геоцентрическая система мира Аристотеля просуществовала 2 тыс. лет.

31. "О множественности обитаемых миров". 1861

"О множественности
обитаемых миров".
1861
Камиль Фламмарион
(Camille Flammarion)
(1842 - 1925)

32.

Ио́сиф Самуи́лович
Шкло́вский
1916-1985
Шкловский И. С.
О возможной уникальности
разумной жизни во Вселенной.
М. 1976.
Считал и математически
доказал, что вероятность
существования жизни вне Земли
0
Жизнь, возникшая на Земле –
уникальна.
Человечество ответственно
за сохранение жизни на Земле

33.

Зачем мы исследуем Солнечную и иные
звездные системы?
естественнонаучный аспекты проблемы.
• обеспечивают закономерный процесс интеграции
различных разделов фундаментальной науки –
астрономии, астрофизики, физики атмосфер, а
также традиционных наук о Земле - геофизики,
геологии, геохимии, климатологии;
• стимулируют развитие экзобиологии и изучение
возможности биохимических основ жизни,
отличных от земной;
• открывают перспективы распространения
человечества на всю сферу обитания в
окрестности собственной звезды, а также в
перспективе в зонах обитания других звезд.

34.

Практический аспект космических исследований
Благодаря программе Аполлон были созданы технологии, которые
помогли усовершенствовать системы
• диализа почки и водоочистительные системы;
• датчики для выявления опасной загазованности;
• энергосберегающие строительные материалы;
• огнеупорные ткани для пожарников и военнослужащих.

35. Владимир ВЫСОЦКИЙ В далеком созвездии тау-Кита –Живут, между прочим по разному, товарищи наши по разуму…

Звезда Тау Кита - одна из ближайших к нашей Солнечной системе,
расположена на расстоянии 12 световых лет от Земли. Ее возраст ~ 5.8
млрд. лет. Около звезды обнаружен пылевой диск

36.

Солнцеподобная Тау Кита
Созвездие «Кит» берёт название от латинского «Cetus». В своём составе Кит
насчитывает 170 звёзд различного размера и яркости. Но лишь 9 из них обладают
мощью 4-ой звёздной величины, в том числе и Тау Кита.

37.

А в январь 2013 г. астрономы обнаружили пять экзопланет,
вращающихся вокруг Тау Кита, температура и светимость которой,
почти соответствуют Солнечным.
Изображение звезды Тау Кита, видны три планеты,
голубая планета справа, потенциально обитаемая