¿Cómo se buscan los planetas alienígenas?

Hablando de vuelos a otras estrellas, debe entenderse que realmente no necesitamos ir a las estrellas, tenemos que ir a otros planetas, preferiblemente terrestres y habitables. ¿Y cómo sabes si las estrellas vecinas del planeta? Parecería simple: toma un telescopio más grande, pero mira. Si se pueden considerar galaxias distantes, entonces los planetas y los satélites también deberían ver las estrellas cercanas. Pero existe una complejidad "pequeña": a diferencia de las estrellas y galaxias, los planetas prácticamente no brillan, sino que solo reflejan la luz de sus estrellas. Una estrella ilumina su entorno, por lo tanto, a pesar del desarrollo de la tecnología astronómica en el siglo XX, el primer exoplaneta, el planeta de otra estrella, fue encontrado hace menos de treinta años.

Hoy, se han desarrollado y dominado varios métodos para buscar exoplanetas.

Observación directa

Un telescopio suficientemente grande podrá ver un planeta lo suficientemente grande y remoto desde su estrella. Pero para esto tienes que probar y usar equipos especiales. Para deshacerse de la luz brillante de una estrella, se utiliza una coronografía para buscar planetas, un disco opaco en el esquema óptico del telescopio, que le permite bloquear la luz de una fuente brillante. En combinación con la óptica adaptativa, este sistema le permite considerar planetas grandes y distantes de las estrellas vecinas. Es mejor encontrar "jóvenes Júpiter" en el infrarrojo porque retienen una alta radiación térmica desde el momento de la formación.



Se han instalado varias coronografías en los telescopios de 8 metros de los observatorios Gemini y VLT, que proporcionan alta resolución. Y hoy, solo unos pocos sistemas alienígenas ya han podido considerar. A veces, el sistema resulta ser tan joven que los planetas aún no son visibles, pero el disco protoplanetario es claramente distinguible, como por ejemplo en HR 4796, a una distancia de 230 St. años de nosotros.



La estrella del Beta Painter incluso pudo rastrear el movimiento orbital del planeta durante dos años.



El telescopio espacial Hubble también logró examinar el planeta como resultado de muchos años de observación de un disco de polvo alrededor de la estrella Fomalhaut.



En los próximos años, el número de exoplanetas encontrados y examinados por métodos directos solo aumentará, pero hasta ahora, se descubren e investigan cuerpos individuales. NASA lidera un proyecto de observatorio espacialExo-S , que consiste en un telescopio derivado por separado y un coronógrafo. Pero la fecha estimada de lanzamiento aún no se ha anunciado.



El método de tránsito:

este método indirecto le permite determinar el número de planetas, sus tamaños, período orbital y parámetros de órbita. En algunos casos, incluso es posible obtener ideas aproximadas sobre la composición de la atmósfera. Actualmente, este método es un récord para la cantidad de planetas descubiertos, principalmente porque permite que los telescopios trabajen en áreas, en lugar de enfocarse en un objetivo.

El principio de funcionamiento del método de tránsito es la fotometría. Durante la observación, se registra la luminosidad de la estrella. Si un planeta pasa entre nosotros y la estrella, entonces el brillo de la estrella disminuye, y este momento se registra en la gráfica de brillo.



Si las caídas de brillo ocurren regularmente, y siempre son iguales, entonces se puede suponer que tal efecto es causado por el planeta.

No solo un planeta puede causar fluctuaciones en el brillo de una estrella, puede ser ciclos internos o una estrella compañera. Por lo tanto, el método de tránsito requiere confirmación por un método independiente. Ahora hay varios miles de candidatos de tránsito que gradualmente confirman o niegan.

A pesar del éxito de este método, sus inconvenientes son obvios:

primero, el planeta debería tener suerte con una órbita que se encuentra en la línea de nuestra mirada desde la Tierra. Por ejemplo, Venus vuela alrededor del Sol cada 7,5 meses, volando entre nosotros y él, pero el tránsito más cercano será en 2117. Mercurio vuela con más frecuencia, estamos esperando el tránsito más cercano el 9 de mayo .
En segundo lugar, como puede ver, el método de tránsito funciona mejor para los planetas cercanos a la estrella, especialmente los grandes. Fue el método de tránsito el que generó muchos descubrimientos de los llamados "Júpiter calientes" - planetas gigantes cerca de sus estrellas. Es curioso que estos descubrimientos refutaran la teoría previamente existente de la formación de sistemas planetarios, que explicaba la distribución de los planetas de piedra y gas en el sistema solar.
En tercer lugar, la búsqueda de exoplanetas similares a la Tierra requiere un largo tiempo de observación, ya que no es suficiente para detectar un solo tránsito, necesita obtener estadísticas: al menos tres tránsitos. Es decir Para detectar, por ejemplo, la Tierra mediante un método de tránsito, los extraterrestres deben mirar al Sol "sin parpadear" durante tres años.

Las observaciones continuas a largo plazo de una gran cantidad de estrellas se hicieron posibles con el desarrollo de la astronáutica y el lanzamiento del telescopio espacial Kepler. Para aumentar su efectividad, fue enviado a un cúmulo estelar en la constelación Cygnus. Esto nos permitió hacer muchos descubrimientos, pero, desafortunadamente, todos estos planetas están a una distancia de 2-3 mil St. años, para llegar físicamente a ellos o al menos considerarlos, solo podemos soñar.



Kepler trabajó de manera estable durante 4 años, hasta que dos de los cuatro motores del volante fallaron, lo que le permitió mantener la orientación. Y necesita al menos tres para apuntar a tres ejes, por lo que ahora funciona en un modo muy limitado usando dos volantes y la presión de la luz solar como un tercero. Su rendimiento ha disminuido en un 95%, pero se han acumulado tantas estadísticas que aún escucharemos sobre los descubrimientos realizados con su ayuda.

La NASA apoyó el próximo proyecto de telescopio del Instituto MIT para la búsqueda de planetas en tránsito dentro de los 100 sv. años alrededor del sol. El vuelo de TESS se espera para 2017. Parece que sus resultados atraerán mucha más atención pública, ya que los planetas serán descubiertos "muy cerca".

El método de velocidad radial (cambio Doppler)

Mi método favorito debido a la precisión fenomenal que proporciona y la elegante simplicidad del principio físico que formó su base.

Pero primero, un poco sobre la teoría de la espectroscopia. Espero que todos sepan qué es un arco iris y cómo se forma. Un arco iris es un espectro natural del sol. La composición química de la estrella está oculta en el espectro de radiación, ya que cada elemento químico, cuando se calienta, brilla con su propio color.



El brillo se registra mediante un espectrómetro y, al determinar las diversas líneas del espectro, es posible determinar la composición del objeto emisor. Si la luz atraviesa la atmósfera del planeta o se refleja desde la superficie, entonces parte de la luz se absorbe y se forman inmersiones en el espectro, lo que indica elementos químicos que absorben la luz.

Otro fenómeno físico necesario para comprender el método de velocidad radial es el desplazamiento al rojo y el desplazamiento al azul.



Cuando la estrella en estudio se aleja de nosotros, la longitud de onda de la luz emitida se estira, por lo que todo el espectro se desplaza hacia el lado rojo. Si el elemento se elimina y emite luz roja, lo registramos ya en el rango infrarrojo, si es verde, luego en amarillo, si es azul, luego en verde, etc.

El cambio azul es el proceso inverso. Si la estrella se precipita hacia nosotros, entonces su espectro "se vuelve azul", se desplaza hacia los lados azul y ultravioleta.

¿Cómo se relaciona esto con la presencia de planetas en estrellas distantes? Paciencia Se debe tener en cuenta una propiedad más: el movimiento de dos cuerpos en un centro de masa.

Todos sabemos que la tierra gira alrededor del sol. Esto parece ser cierto, pero no del todo. De hecho, el Sol y la Tierra giran alrededor del mismo centro de masa, que no corresponde al centro del Sol. La Tierra y la Luna tienen ese efecto, mientras que Plutón y Caronte tienen un centro de masa fuera de Plutón, por lo tanto, ambos giran alrededor de un punto condicional entre ellos.



Por supuesto, la masa insignificantemente pequeña de la Tierra conduce a una oscilación completamente insignificante del Sol, dentro de los 50 km, pero Júpiter ya embutió ligeramente al Sol, obligándolo a desviarse en 750 mil km. Es decir Júpiter y el Sol, así como Plutón y Caronte giran en torno a un punto en el espacio.

Y ahora reducimos todo a un método de búsqueda: el exoplaneta, que gira alrededor de su estrella, lo obliga a girar con una desviación de su centro de masa. En consecuencia, con respecto al observador externo, la estrella se alejará, luego se acercará, lo que conducirá al desplazamiento rojo o azul del espectro. Podemos tomar un espectrómetro bastante sensible, y podemos ver cómo el espectro de la estrella se vuelve rojo y azul periódicamente, de acuerdo con la dinámica orbital del planeta.



Y finalmente, sobre la precisión del método: el espectrógrafo HARPS en el telescopio La Silla de 3,6 metros del Observatorio Europeo Austral le permite rastrear el movimiento de una estrella a una velocidad de hasta 1 metro (!) Por segundo. Un método similar nos permite encontrar planetas similares a la Tierra a una distancia de hasta 150 años luz de nosotros, y "Júpiter" hasta varios miles de años luz. Como regla general, es el método de cambio Doppler el que se utiliza para volver a verificar los candidatos a planetas obtenidos por el método de tránsito.

Desafortunadamente, el método funciona con precisión y requiere múltiples observaciones de cada objeto, por lo que no tiene tiempo para mantenerse al día con Kepler y no tiene tiempo para inspeccionar las estrellas circundantes. Sin embargo, recientemente, HARPS ha trabajado para encontrar un planeta similar a la Tierra cerca de nuestra estrella más cercana, Proxima Centauri., como parte del proyecto Pale Red Dot. Los resultados aún no se han publicado, pero las expectativas son muy alentadoras.

En general, estos dos métodos: tránsito y cambio Doppler, forman casi la base de todas las búsquedas:



repasemos algunos métodos originales más, que, con algunas reservas, pero funcionan.

Cambio de la fase orbital de la luz reflejada

El método es similar al tránsito, solo que no registra una disminución en el brillo, sino un aumento. El efecto ocurre cuando el planeta de la estrella está en un cuarto de fase, y parte de la luz incidente se refleja en nuestra dirección. Es como el brillo de la Venus de la tarde / mañana, más el brillo del sol. El efecto depende del tamaño del exoplaneta, su proximidad a la estrella y el brillo de la luz reflejada. El método es burdo, pero no requiere encontrar la órbita del planeta en la línea de nuestra vista.

Método astrométrico

Similar al método de desplazamiento Doppler, requiere observaciones a largo plazo, pero no requiere espectrómetros. Durante la observación, la posición de la estrella se registra cuidadosamente en relación con los objetos vecinos, y si se observan desviaciones en forma de onda, esto indica un compañero bastante masivo, lo que obliga a la estrella a girar alrededor de un centro de masa común. Está claro que la estrella debería ser pequeña y su planeta masivo, por lo que las estrellas dobles y las enanas marrones se pueden encontrar con mayor frecuencia.

Se han acumulado datos astrométricos únicos durante décadas de observaciones en el Observatorio Pulkovo, cerca de San Petersburgo. Ahora el observatorio atraviesa tiempos difíciles debido a la metrópoli en crecimiento y al cielo iluminado.

Método de microlente de gravedad

Un método original basado en los efectos de la desviación de un rayo de luz por el campo gravitacional de objetos masivos. El efecto de una lente gravitacional ocurre si exactamente en la línea de nuestra vista hay dos cuerpos brillantes y bastante masivos. Por ejemplo, la estrella de nuestra galaxia pasa entre nosotros y otra estrella o galaxia distante. La gravedad de una estrella cercana afecta la luz de un objeto distante, lo desvía y forma el efecto de una "lente". Si el campo gravitacional de una estrella se deforma por la gravedad de los exoplanetas en su sistema, entonces la "lente" resultará ser "defectuosa", con violaciones.



El desarrollo de este método es la búsqueda de efectos de lentes causados ​​por planetas invisibles, hasta deambular por la galaxia sin sus propias estrellas.



Kepler lanzó una búsqueda similar recientemente en el centro de la galaxia de la Vía Láctea. Durante esta maniobra, se perdió la conexión con el telescopio, pero ahora ya se ha restablecido, y ahora estamos esperando nuevos datos del telescopio sobre las perspectivas del método.



En un futuro cercano, los terrícolas aprenderán mucho más sobre su entorno. El lanzamiento del Observatorio Espacial James Webb y la construcción del Telescopio Extremo Europeo, la aparición de espectrógrafos más sensibles para reemplazar a HARPS, y los resultados del "censo astrométrico de la galaxia" por el observatorio Gaia , permitirán comprender mejor la estructura y el origen de los sistemas estelares cercanos y distantes, y descubrir si tenemos una oportunidad encuentre una "Tierra libre", una vida extraterrestre, o incluso los habitantes inteligentes de los exoplanetas.

Source: https://habr.com/ru/post/es393417/