Экзопланеты... Удивительные планеты, которых можно назвать близнецом земли, я недавно захотел разобраться в этом глубже чем знаю обычно, то есть поверхно и хочу поделиться своими знаниями с вами. Экзопланета с греческого переводится планета вне, можно интерпретировать как внешняя планета, мне так удобнее, ха-ха. Есть несколько типов экзопланет:

1. Газовые гиганты: крупные планеты, состоящие преимущественно из водорода и гелия.

2. Планеты земного типа: скалистые планеты, по размеру и составу похожие на Землю, поддерживающие потенциально пригодные для жизни условия.

3. Планеты-сироты — планеты, не привязанные к звезде и свободно движущиеся в космосе, есть такие виды как: Газовые гиганты, карликовые планеты, скалистые планеты, магмовые, океановые, ледяные, суперземли... Такие планеты встречаются в виде свободно плавающих объектов в галактике и даже между галактиками. Они могли попасть в "свободное плавание" из-за того что их выбросили из материнской солнечной системы! Интересный факт: общее число таких планет в нашей Галактике оценивается в миллиарды и даже триллионы, причём около 100–100000 планет-сирот может приходиться на одну звезду!!

Также существует классификация по температуре и атмосфере для газовых гигантов (классы I-V), а по массе экзопланеты делятся на гиганты, нептуны и земли. Так же их оценивают по этим каноничным критериям:

1. Радиус планеты: как близок размер к земному, что влияет на гравитацию и атмосферу.
2. Температура поверхности: оценивается с учетом орбитальной зоны, влияет на условия для воды и жизни.
3. Плотность и масса: помогают понять состав экзопланеты.
4. Скорость убегания с планеты: связана с удержанием атмосферы.
5. Наличие атмосферы и вероятность наличия воды, особенно жидкой, считаются ключевыми, хотя точных данных часто нет.

Если вы немного знаете географию, то вы 100% знаете эти критерии, но не знали как их выявляют в планетах вне солнечной системы. Я раньше думал что учёные отправляют туда спутники и они там изучают эту планету, эту мысль мне разбили когда я узнал что Voyager 1 даже не покинули солнечную систему... Для вычисления радиуса планет используют транзитный метод: Когда экзопланета проходит перед своей звездой, фиксируется уменьшение яркости звезды. По величине и длительности этого затмения вычисляют радиус планеты. Например, космические телескопы Kepler и Spitzer позволили измерить радиус с очень высокой точностью до сотен километров! Для массы планеты используют метод лучевой скорости, который называется доплеровский метод: По колебаниям скорости звезды под гравитационным воздействием планеты. Недавно разработаны методы и по спектру пропускания через атмосферу во время транзита. Зная массу и радиус, вычисляют плотность, что дает представление о составе планеты. С температурой все просто в базовом понимании, используют инфракрасные наблюдения, это это тепловое излучение, длины волн которого длиннее видимого света. Планеты и их атмосферы излучают в инфракрасном диапазоне, особенно если они тёплые. Этот диапазон дает астрономам возможность "видеть" тепло, исходящее от планеты, даже если видимый свет от неё слаб или маскируется светом звезды, это наблюдение выполняет Джеймс Уэбб. А вот дело с скоростью убегания планеты, немного сложнее, потому-что там используется формула, постараюсь объяснить эту формулу простыми словами...

V — это вторая космическая скорость, то есть минимальная скорость, которую нужно придать объекту, чтобы он покинул гравитационное поле планеты и никогда не вернулся. G — гравитационная постоянная, M — масса планеты, R — её радиус. Чем массивнее планета и чем меньше её радиус, тем выше скорость убегания. Надеюсь все понятно... Есть так же 2 индекса ESI(Earth Similarity Index), PHI(Planetary Habitability Index), сейчас постараюсь объяснить доступным языком с частичками терминов...

Earth Similarity Index (Индекс сходства с Землёй) – безразмерный показатель (от 0 до 1), который используется для оценки степени схожести экзопланеты или небесного тела с Землёй по ключевым параметрам: радиус, плотность, скорость убегания, температура поверхности.

ESI = 1 означает полное совпадение с Землёй.

Используется для первичного отбора потенциально обитаемых экзопланет. Этот индекс был предложен в работах Абубакара Башира и другие для классификации экзопланет.

PHI (Planetary Habitability Index) — Это расширенный индекс, оценивающий вероятность того, что небесное тело способно поддерживать жизнь. В отличие от ESI, который сравнивает планету с Землёй, PHI рассматривает более широкий спектр условий для жизни. Основные критерии PHI включают:

1. Наличие стабильного субстрата (твёрдая поверхность, океан, лёд).
2. Энергетический потенциал (источники энергии: звёздное излучение, геотермальная активность, химические реакции).
3. Наличие подходящей химии (биоэлементы: C, H, N, O, P, S и др.).
4. Наличие жидкой среды (чаще всего вода, но могут учитываться аммиак, метан и др.).

Например: Земля: PHI ≈ 0.7–0.8 (высокий). Марс: PHI ≈ 0.5 (средний, из-за ограниченных ресурсов и низких температур). Европа (спутник Юпитера): PHI ≈ 0.6–0.65 (высокий, благодаря океану под ледяной корой).

Немного фактов про экзопланеты

Первые подтверждённые экзопланеты были обнаружены в 1992 году вокруг пульсара (PSR B1257+12), предшествуя открытию у звезды главной последовательности в 1995 году.

Обнаружение 51 Pegasi b в 1995 году швейцарскими астрономами Мишелем Мэйором и Дидье Кело стало крупным прорывом, принесшим им Нобелевскую премию по физике 2019 года.

Ранние предварительные открытия экзопланет датируются 1917 годом, но не были подтверждены до десятилетий спустя.

Миссия космического телескопа **«Кеплер»*" (2009–2018) произвела революцию в науке об экзопланетах, обнаружив тысячи кандидатов и позволив провести детальные статистические исследования.

Дополнительные методы обнаружения экзопланет

Прямая съёмка экзопланет с помощью коронографов и технологии звёздных теней

Прямая съёмка — это один из самых сложных, но информативных методов изучения экзопланет. Проблема в том, что звезда вокруг которой вращается планета в миллионы раз ярче самой планеты, и свет звезды "загораживает" её... Чтобы это решить, используют коронографы — специальные приборы, которые "затеняют" свет звезды, подобно тому, как Луна закрывает Солнце при затмении. Коронограф блокирует яркий свет звезды, позволяя увидеть слабое свечение или отражённый свет самой планеты. К примеру, космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) оснащён коронографом, с помощью которого была получена первая прямая фотография ранее неизвестной экзопланеты. Этот прибор использует набор масок и специальную оптику для подавления звёздного света и выделения планетного сигнала... Я сам недавно узнал что разрабатывают технологию звёздных теней, которую называют starshade! Это внешний зонд или экран в космосе, который встаёт между телескопом и звездой, блокируя свет, но позволяя телескопу наблюдать планету.

Гравитационное микролинзирование для обнаружения планет

Этот метод основан на эффекте гравитационного линзирования, предсказанном общей теорией относительности Эйнштейна. Когда массивный объект проходит между наблюдателем и более удалённым источником света, гравитация ближнего объекта искривляет и усиливает свет удалённой звезды, как линза. Я сначала подумал это наверное как-то слабый эффект, но потом посмотрел иллюстрации и честно говоря был приятно удивлен.

Астрометрия — измерение точных смещений положения звёзд,это метод при котором измеряют очень точные изменения положения звезды на небе, простым языком её "покачивания", из-за гравитационного воздействия планеты, вращающейся вокруг неё. Звезда и планета движутся вокруг общего центра масс, из-за чего звезда слегка смещается. Такие колебания обычно очень малы — микроугловые секунды, и требуют сверхточных инструментов для измерения. Современные космические миссии, например Gaia Европейского космического агентства, делают крайне точные астрометрические измерения, что позволило недавно открыть несколько экзопланет этим методом.

Подробное углубление в исторические событии и так далее...

1. Исторический контекст и важные открытия

Ранние попытки и предшествующие открытия

Первые попытки обнаружить планеты за пределами нашей Солнечной системы относятся примерно к началу XX века. В 1917 году астрономы выразили предположение о планетах вокруг звёзд главной последовательности, анализируя небольшие колебания в движении звёзд, но тогда технологии и методы были недостаточно точны для надёжных подтверждений. В течение многих десятилетий эти ранние открытия оставались спорными и не имели общепринятого подтверждения.

Прорыв 1992 года — первые подтверждённые экзопланеты

Настоящий прорыв произошёл в 1992 году, когда группа астрономов Александра Вольфа и Дейла Фрейла обнаружила сразу несколько планет вокруг пульсара PSR B1257+12. Это были первые подтверждённые экзопланеты, но вокруг необычного объекта — пульсара, а не звезды главной последовательности, что вызвало много обсуждений о возможности жизни на таких планетах.

Революция миссии Kepler (2009-2018)

Значительный скачок произошёл с запуском NASA миссии Kepler в 2009 году. Этот космический телескоп использовал транзитный метод для поиска экзопланет, непрерывно наблюдая за более чем 150 тысячами звёзд. Впервые удалось обнаружить тысячи кандидатов в экзопланеты, включая множество планет земного типа, и впервые на статистически значимом уровне изучить распределение планетных систем.

Современные миссии и открытия

После Kepler миссия TESS продолжает поиск и открытие близких и ярких экзопланет. А недавно запуск и работа телескопа Джеймс Уэбб позволили получать прямые изображения экзопланет и анализировать их атмосферу более подробно, делая качественный скачок в понимании этих миров!!

2. Обзор перспектив и вызовов в исследовании экзопланет

Поиск признаков жизни (биосигналов) и условий для жизни

Одной из главных целей астрономии экзопланет является выявление планет с условиями, пригодными для жизни. Современные инструменты, такие как телескоп Джеймса Уэбба и будущие миссии, позволяют анализировать атмосферу экзопланет, искать биомаркеры — молекулы, такие как кислород, озон, метан или вода, которые могут свидетельствовать о биологической активности.

Совершенствование технологий наблюдения

Развиваются инновационные методы прямого наблюдения, коронография, звёздные тени, а также астрометрия и гравитационное микролинзирование. Новые космические и наземные телескопы обеспечивают всё лучшее качество данных с более высоким разрешением и чувствительностью.

3. Роль искусственного интеллекта и больших данных

Как ИИ помогает в исследованиях и обнаружении экзопланет и стал неотъемлемой частью науки?

Использование ИИ в поисках экзопланет и исследовании, это не "плохо", это наоборот очень хорошо и в несколько раз ускоряет исследования и с каждым разом становится все лучше и лучше! Поиск экзопланет — чрезвычайно сложная и ресурсоёмкая задача, так как современные телескопы, такие как Kepler, TESS и Джеймса Уэбба, генерируют огромные объёмы наблюдательных данных!! И человеку, даже 20 человек невозможно обработать вручную сотни гигабайт, если не терабайты, поэтому учёные создали ИИ-модели, особенно методы глубокого обучения, эффективно распознают характерные падения яркости звёзд при прохождении планеты в огромном потоке данных. Это значительно повышает точность и скорость поиска новых кандидатов! ИИ делает работу, которую обычный ученый делает за 5-6 месяцев, всего за несколько месяцев или неделю!

Результаты использования ИИ: Использование ИИ позволило увеличить количество обнаруженных объектов и улучшить надёжность каталогов Kepler и TESS. В последние годы вышло множество исследований и приложений, посвящённых обучению нейросетей на реальных и синтетических данных, позволяющих выявлять даже слабые сигналы экзопланет. Проекты по интеграции ИИ в миссии JWST и будущих телескопов открывают новые горизонты в детальном изучении атмосферы и факторах пригодности жизни.

Если правильно использовать ИИ, то она не просто умный десятки тысяч нейронных связей, а наоборот лучший компаньон, который ускорить вашу работу в несколько раз! И на этой ноте мы с вами прощаемся... Используйте правильно свой нейроны и всё!!