Планетная система — это набор гравитационно связанных незвёздных тел, находящихся на орбите вокруг звезды или звёздной системы или вне её . Вообще говоря, системы с одной или несколькими планетами составляют планетную систему, хотя такие системы могут также состоять из таких тел, как карликовые планеты , астероиды , естественные спутники , метеороиды , кометы , планетезимали [1] [2] и околозвёздные диски . Например, Солнце вместе с вращающейся вокруг него планетной системой, включая Землю , образуют Солнечную систему . [3] [4] Термин экзопланетная система иногда используется по отношению к другим планетным системам.
По состоянию на 24 июля 2024 года в 4949 планетных системах насчитывается 7026 подтверждённых экзопланет , причём в 1007 системах имеется более одной планеты . [5] Известно, что диски из обломков встречаются часто, в то время как другие объекты наблюдать сложнее.
Особый интерес для астробиологии представляет обитаемая зона планетных систем, где планеты могут иметь жидкую воду на поверхности и, таким образом, иметь возможность поддерживать жизнь земного типа.
Гелиоцентризм — это учение о том, что Солнце находится в центре Вселенной, в отличие от геоцентризма (помещающего Землю в центр Вселенной).
Понятие гелиоцентрической Солнечной системы с Солнцем в центре, возможно, впервые было предложено в ведической литературе древней Индии , которая часто называет Солнце «центром сфер». Некоторые интерпретируют писания Арьябхатты в Āryabhaṭīya как неявно гелиоцентрические.
Эта идея была впервые предложена в западной философии и греческой астрономии еще в III веке до н. э. Аристархом Самосским [6], но не получила поддержки со стороны большинства других древних астрономов.
В трактате «О вращении небесных сфер» Николая Коперника , опубликованном в 1543 году, была представлена первая математически предсказательная гелиоцентрическая модель планетной системы. Последователи в XVII веке Галилео Галилей , Иоганн Кеплер и сэр Исаак Ньютон развили понимание физики , которое привело к постепенному принятию идеи о том, что Земля движется вокруг Солнца и что планеты подчиняются тем же физическим законам, которые управляют Землей.
В XVI веке итальянский философ Джордано Бруно , один из первых сторонников теории Коперника о том, что Земля и другие планеты вращаются вокруг Солнца, выдвинул точку зрения, что неподвижные звезды подобны Солнцу и также сопровождаются планетами. За свои идеи он был сожжен на костре римской инквизицией . [7]
В XVIII веке та же возможность была упомянута сэром Исааком Ньютоном в « Общей схолии », которая завершает его «Начала ». Проводя сравнение с планетами Солнца, он писал: «И если неподвижные звезды являются центрами подобных систем, то все они будут построены по схожему замыслу и подчиняться господству Единого » . [8]
Его теории приобрели популярность в 19-м и 20-м веках, несмотря на отсутствие подтверждающих доказательств. Задолго до их подтверждения астрономами, гипотезы о природе планетарных систем были в центре внимания поисков внеземного разума и были распространенной темой в художественной литературе , особенно в научной фантастике.
Первое подтвержденное обнаружение экзопланеты было сделано в 1992 году, когда было обнаружено несколько планет земной массы, вращающихся вокруг пульсара PSR B1257+12 . Первое подтвержденное обнаружение экзопланет у звезды главной последовательности было сделано в 1995 году, когда была обнаружена гигантская планета 51 Pegasi b , обращающаяся вокруг близлежащей звезды G-типа 51 Pegasi с четырехдневным периодом обращения . С тех пор частота обнаружений возросла, особенно благодаря достижениям в методах обнаружения экзопланет и специализированных программах по поиску планет, таких как миссия Kepler .
Планетные системы происходят из протопланетных дисков , которые формируются вокруг звезд в процессе звездообразования .
Во время формирования системы большая часть материала гравитационно рассеивается на далеких орбитах, а некоторые планеты полностью выбрасываются из системы, становясь планетами-изгоями .
Были обнаружены планеты, вращающиеся вокруг пульсаров . Пульсары являются остатками взрывов сверхновых звезд большой массы, но планетарная система, существовавшая до сверхновой, вероятно, будет в основном разрушена. Планеты либо испаряются, либо выталкиваются со своих орбит массами газа из взрывающейся звезды, либо внезапная потеря большей части массы центральной звезды заставляет их выходить из гравитационного притяжения звезды, или в некоторых случаях сверхновая выталкивает сам пульсар из системы на высокой скорости, так что любые планеты, пережившие взрыв, остаются в свободном плавании. Планеты, обнаруженные вокруг пульсаров, могли образоваться в результате того, что ранее существовавшие звездные компаньоны были почти полностью испарились в результате взрыва сверхновой, оставив после себя тела размером с планету. В качестве альтернативы планеты могут образовываться в аккреционном диске из отступающей материи, окружающем пульсар. [9] Отступающие диски материи, которые не смогли покинуть орбиту во время сверхновой, также могут образовывать планеты вокруг черных дыр . [10]
По мере того, как звезды эволюционируют и превращаются в красных гигантов , звезды асимптотической ветви гигантов и планетарные туманности , они поглощают внутренние планеты, испаряя их полностью или частично в зависимости от их массы. [12] [13] По мере того, как звезда теряет массу, планеты, которые не были поглощены, удаляются от звезды.
Если эволюционировавшая звезда находится в двойной или множественной системе, то потерянная ею масса может перейти к другой звезде, образуя новые протопланетные диски и планеты второго и третьего поколения, которые могут отличаться по составу от исходных планет, на которые также может повлиять перенос массы.
Солнечная система состоит из внутренней области небольших каменистых планет и внешней области крупных планет-гигантов . Однако другие планетные системы могут иметь совершенно иную архитектуру. Исследования показывают, что архитектура планетных систем зависит от условий их первоначального формирования. [14] Было обнаружено много систем с горячим газовым гигантом Юпитером, расположенным очень близко к звезде. Были предложены теории, такие как планетарная миграция или рассеяние, для образования больших планет вблизи их родительских звезд. [15] В настоящее время [ когда? ] было обнаружено несколько систем, аналогичных Солнечной системе с планетами земной группы вблизи родительской звезды. Чаще всего обнаруживаются системы, состоящие из нескольких Суперземель . [16]
Архитектуру планетных систем можно разделить на четыре класса в зависимости от того, как масса планет распределена вокруг родительской звезды: [17] [18]
Многопланетные системы, как правило, имеют конфигурацию «горох в стручке», что означает, что они, как правило, имеют следующие факторы: [19]
Большинство известных экзопланет вращаются вокруг звезд, примерно похожих на Солнце : то есть, звезд главной последовательности спектральных категорий F, G или K. Одна из причин заключается в том, что программы поиска планет, как правило, концентрировались на таких звездах. Кроме того, статистический анализ показывает, что звезды с меньшей массой ( красные карлики спектральной категории M) с меньшей вероятностью имеют планеты, достаточно массивные для обнаружения методом лучевых скоростей . [20] [21] Тем не менее, несколько десятков планет вокруг красных карликов были обнаружены космическим телескопом Кеплер с помощью транзитного метода , который может обнаруживать меньшие планеты.
После планет околозвездные диски являются одним из наиболее часто наблюдаемых свойств планетных систем, особенно молодых звезд. Солнечная система обладает по крайней мере четырьмя основными околозвездными дисками ( пояс астероидов , пояс Койпера , рассеянный диск и облако Оорта ), а также четко наблюдаемые диски были обнаружены вокруг близлежащих солнечных аналогов, включая Эпсилон Эридана и Тау Кита . Основываясь на наблюдениях многочисленных подобных дисков, предполагается, что они являются довольно распространенными атрибутами звезд на главной последовательности .
Межпланетные пылевые облака изучались в Солнечной системе, и считается, что их аналоги присутствуют в других планетных системах. Экзодиакальная пыль, экзопланетный аналог зодиакальной пыли , зерен аморфного углерода и силикатной пыли размером 1–100 микрометров, заполняющих плоскость Солнечной системы [22], была обнаружена вокруг систем 51 Змееносца , Фомальгаута , [23] [24] Тау Кита , [24] [25] и Веги .
По состоянию на ноябрь 2014 года [обновлять]известно 5253 кометы Солнечной системы [26], и считается, что они являются обычными компонентами планетных систем. Первые экзокометы были обнаружены в 1987 году [27] [28] вокруг Беты Живописца , очень молодой звезды главной последовательности класса А. В настоящее время насчитывается в общей сложности 11 звезд, вокруг которых наблюдалось или предполагалось наличие экзокомет. [29] [30] [31] [32] Все обнаруженные экзокометные системы ( Бета Живописца , HR 10 , [29] 51 Змееносца , HR 2174, [30] 49 Кита , 5 Лисички , 2 Андромеды , HD 21620, HD 42111, HD 110411, [31] [33] и совсем недавно HD 172555 [32] ) вращаются вокруг очень молодых звезд А-типа .
Компьютерное моделирование удара, произошедшего в 2013 году вокруг звезды NGC 2547 -ID8 с помощью космического телескопа Spitzer и подтвержденного наземными наблюдениями, предполагает участие крупных астероидов или протопланет, подобных событиям, которые, как полагают, привели к образованию планет земной группы, таких как Земля. [34]
На основе наблюдений за большой коллекцией естественных спутников Солнечной системы, они считаются обычными компонентами планетных систем; однако существование экзолуний пока не подтверждено. Звезда 1SWASP J140747.93-394542.6 в созвездии Центавра является сильным кандидатом на естественный спутник. [35] Признаки указывают на то, что подтвержденная внесолнечная планета WASP-12b также имеет по крайней мере один спутник. [36]
В отличие от Солнечной системы, орбиты которой почти круговые, многие известные планетные системы демонстрируют гораздо более высокий эксцентриситет орбит . [37] Примером такой системы является 16 Лебедя .
Взаимное наклонение между двумя планетами — это угол между их орбитальными плоскостями . Многие компактные системы с несколькими близкими планетами внутри эквивалентной орбиты Венеры , как ожидается, будут иметь очень низкие взаимные наклоны, поэтому система (по крайней мере, близкая часть) будет даже более плоской, чем Солнечная система. Захваченные планеты могут быть захвачены под любым произвольным углом к остальной части системы. По состоянию на 2016 год [обновлять]существует только несколько систем, где взаимные наклоны были фактически измерены [38] Одним из примеров является система Ипсилон Андромеды : планеты c и d имеют взаимный наклон около 30 градусов. [39] [40]
Планетные системы можно классифицировать в соответствии с их орбитальной динамикой как резонансные, нерезонансно-взаимодействующие, иерархические или некоторую комбинацию из них. В резонансных системах орбитальные периоды планет находятся в целочисленных отношениях. Система Kepler-223 содержит четыре планеты в орбитальном резонансе 8:6:4:3 . [41] Гигантские планеты встречаются в резонансах среднего движения чаще, чем меньшие планеты. [42] Во взаимодействующих системах орбиты планет достаточно близки друг к другу, что они возмущают орбитальные параметры. Солнечную систему можно описать как слабо взаимодействующую. В сильно взаимодействующих системах законы Кеплера не выполняются. [43] В иерархических системах планеты расположены таким образом, что систему можно с точки зрения гравитации рассматривать как вложенную систему из двух тел, например, в звезде с близко расположенным горячим Юпитером и другим газовым гигантом, находящимся намного дальше, звезда и горячий Юпитер образуют пару, которая кажется единым объектом другой планете, находящейся достаточно далеко.
Другие, пока еще не обнаруженные, орбитальные возможности включают: двойные планеты ; различные соорбитальные планеты, такие как квазиспутники, троянские планеты и обменные орбиты; и взаимосвязанные орбиты, поддерживаемые прецессирующими орбитальными плоскостями . [44]
Свободно плавающие планеты в рассеянных скоплениях имеют схожие скорости со звездами и поэтому могут быть повторно захвачены. Обычно они захватываются на широкие орбиты между 100 и 10 5 а. е. Эффективность захвата уменьшается с увеличением размера скопления, и для данного размера скопления она увеличивается с массой хозяина/первичной [ необходимо уточнение ] . Она почти не зависит от массы планеты. Одиночные и множественные планеты могут быть захвачены на произвольные невыровненные орбиты, не копланарные друг другу или вращению звездного хозяина или уже существующей планетной системе. Некоторая корреляция металличности планеты и хозяина может все еще существовать из-за общего происхождения звезд из одного и того же скопления. Маловероятно, что планеты будут захвачены вокруг нейтронных звезд , поскольку они, вероятно, будут выброшены из скопления толчком пульсара при их формировании. Планеты могут быть даже захвачены вокруг других планет, образуя свободно плавающие двойные планеты. После того, как скопление рассеется, некоторые из захваченных планет с орбитами больше 10 6 а.е. будут медленно разрушаться галактическим приливом и, вероятно, снова станут свободно плавающими из-за столкновений с другими звездами поля или гигантскими молекулярными облаками . [45]
Зона обитания вокруг звезды — это область, где температурный диапазон позволяет существовать жидкой воде на планете; то есть не слишком близко к звезде, чтобы вода испарилась, и не слишком далеко от звезды, чтобы вода замерзла. Тепло, вырабатываемое звездами, варьируется в зависимости от размера и возраста звезды; это означает, что зона обитания также будет меняться соответственно. Кроме того, атмосферные условия на планете влияют на способность планеты удерживать тепло, поэтому местоположение зоны обитания также специфично для каждого типа планет.
Зоны обитания обычно определяются с точки зрения температуры поверхности; однако более половины биомассы Земли составляют подземные микробы [46] , а температура увеличивается с увеличением глубины под землей, поэтому подповерхность может быть благоприятной для жизни, когда поверхность замерзает; если это учесть, то зона обитания простирается гораздо дальше от звезды. [47]
Исследования 2013 года показывают, что приблизительно 22±8% звезд, подобных Солнцу [a], имеют планету размером с Землю [b] в обитаемой [c] зоне. [48] [49]
Зона Венеры — это область вокруг звезды, где у земной планеты были бы неконтролируемые парниковые условия, как у Венеры , но не так близко к звезде, чтобы атмосфера полностью испарилась. Как и в случае с обитаемой зоной, расположение зоны Венеры зависит от нескольких факторов, включая тип звезды и свойства планет, такие как масса, скорость вращения и атмосферные облака. Исследования данных космического корабля «Кеплер» показывают, что 32% красных карликов имеют потенциально подобные Венере планеты на основе размера планеты и расстояния от звезды, увеличиваясь до 45% для звезд K-типа и G-типа . [d] Было выявлено несколько кандидатов, но для определения того, похожи ли они на Венеру, необходимы последующие спектроскопические исследования их атмосфер. [50] [51]
Млечный Путь имеет 100 000 световых лет в поперечнике, но 90% планет с известными расстояниями находятся в пределах около 2000 световых лет от Земли по состоянию на июль 2014 года. Одним из методов, который может обнаружить планеты гораздо дальше, является микролинзирование . Будущий космический телескоп Нэнси Грейс Роман может использовать микролинзирование для измерения относительной частоты планет в галактическом балдже по сравнению с галактическим диском . [52] Пока что есть основания полагать, что планеты чаще встречаются в диске, чем в балдже. [53] Оценить расстояние событий микролинзирования сложно: первая планета, которая с высокой вероятностью находится в балдже, — это MOA-2011-BLG-293Lb на расстоянии 7,7 килопарсеков (около 25 000 световых лет). [54]
Звезды населения I , или богатые металлами , — это молодые звезды, металличность которых самая высокая. Высокая металличность звезд населения I делает их более склонными к наличию планетных систем, чем более старые популяции, поскольку планеты образуются путем аккреции металлов. [ требуется цитирование ] Солнце — пример звезды, богатой металлами. Они распространены в спиральных рукавах Млечного Пути . [ требуется цитирование ] Как правило, самые молодые звезды, экстремальная популяция I, находятся дальше, а промежуточные звезды популяции I — дальше и т. д. Солнце считается промежуточной звездой популяции I. Звезды популяции I имеют правильные эллиптические орбиты вокруг Галактического Центра с низкой относительной скоростью . [55]
Звезды населения II , или звезды с низким содержанием металлов , — это звезды с относительно низкой металличностью, которые могут иметь в сотни (например, BD +17° 3248 ) или тысячи (например, звезда Снедена ) раз меньшую металличность, чем Солнце. Эти объекты образовались в более раннее время существования Вселенной. [ требуется цитирование ] Звезды промежуточного населения II распространены в балдже около центра Млечного Пути , [ требуется цитирование ] тогда как звезды населения II, обнаруженные в галактическом гало , старше и, следовательно, более бедны металлами. [ требуется цитирование ] Шаровые скопления также содержат большое количество звезд населения II. [56] В 2014 году были объявлены первые планеты вокруг звезды гало вокруг звезды Каптейна , ближайшей к Земле звезды гало, находящейся примерно в 13 световых годах. Однако более поздние исследования показывают, что Каптейн b — это всего лишь артефакт звездной активности, и что для подтверждения этого факта необходимы дополнительные исследования. [57] Металличность звезды Каптейна оценивается примерно в 8 [e] раз меньше, чем у Солнца. [58]
Различные типы галактик имеют различную историю звездообразования и, следовательно, формирования планет . На формирование планет влияют возраст, металличность и орбиты звездных популяций внутри галактики. Распределение звездных популяций внутри галактики различается между различными типами галактик. [59] Звезды в эллиптических галактиках намного старше звезд в спиральных галактиках . Большинство эллиптических галактик содержат в основном звезды малой массы с минимальной активностью звездообразования . [60] Распределение различных типов галактик во Вселенной зависит от их расположения в скоплениях галактик , при этом эллиптические галактики в основном находятся близко к их центрам. [61]