Астрофизикът Трифон Трифонов съобщава за свое голямо научно откритие, направено заедно с неговите колеги от Германия, Чили и САЩ. Става въпрос за откриването на две масивни екзопланети около звезда с маса малко по-малка от тази на Слънцето.

Интересното при тази система е, че масите на планетите са съпоставими с тези на Юпитер и Сатурн, но орбиталните им периоди са съответно 11.9 дни и 24.7 дни. Тези екзопланети са много по-близки до своята звезда, отколкото е Меркурий до Слънцето.

Освен това съотношението на орбиталните периоди е близо до 2:1, което означава орбитален резонанс. Това  специално съотношение в периодите на орбитите - планетата c изминава две обиколки около звездата за времето, за което планетата b прави една. Някои астрономи подозират, че подобна форма на орбитален резонанс между Юпитер и Сатурн играе роля в създаването на нашата планетарна система.

Подобни мултипланетни системи са много редки и много важни за разбирането на формирането и еволюцията планетите като цяло.

Системата е открита благодарение на данни от космическия телескоп TESS на НАСА и наземни Доплерови наблюдения с ултрапрецизни
спектрографи разположени в Чили (HARPS,FEROS,PFS).

Откритата от Трифонов и екипа му система е обозначена TOI-2202, като по-близката планета TOI-2202 b, е открита по метода на точните транзити с TESS, докато втората планета в системата TOI-2202 c, е намерена благодарение на гравитационното смущение, което е регистрирано при транзитите на TOI-2202 b.

С други думи, наличието на TOI-2202 c е определено благодарение на времевите разлики на транзитите на по-близката планета, които са повлияни от гравитационното взаимодействие с втората планета, която не преминава пред диска на своята звезда-майка.

Втората планета е открита благодарение на познанията на Трифон Трифонов в сферата на гравитационното взаимодействие на мултипланетни системи, и благодарение на неговия софтуер с отворен код ( https://github.com/3fon3fonov/exostriker ).

Това е едва втората планетна система открита с телескопа TESS, при която е регистриран този гравитационен ефект. Трябва да се отбележи, че първата е TOI-219, за която Трифонов също има принос в анализите.

Научната статия е приета за публикуване в престижното научно списание "The Astronomical Journal", а препринт ще публикувам в ArXiv/AstroPH
съвсем скоро.

А ако се интересувате как се откриват екзопланети - ето 5 начина за това:

1. Пряко наблюдение

Ако имаме достатъчно голям телескоп ще можем да видим достатъчно голяма и отдалечена от своята звезда планетата. Но за това трябва специално оборудване. За да се отървем от ярката светлина на звездите, за да търсим планети, се използва коронограф - непрозрачен диск в оптичната схема на телескопа, който блокира източника на ярката светлина. В комбинация с адаптивна оптика, тази система позволява да се наблюдават големи и далечни планети около съседни звезди. Най-добре се забелязват млади планети, подобни на Юпитер в инфрачервения диапазон т.е. в тях да се е запазило високо топлинно излъчване от времената на образуването на планетата.

Няколко коронографи са инсталирани на 8-метровите телескопи на обсерваториите Gemini и VLT, които осигуряват висока резолюция. Но засега те са успели да регистрират само няколко чужди системи. Понякога системата е толкова млада, че все още планети не се виждат, но се вижда протопланетен диск, както например HR 4796, на разстояние от 230 светлинни години, за която разказва space.com. Снимка: Christian Marois (NRC Canada), Patrick Ingraham (Stanford University) and the GPI Team. 

Около звездата Бета Живописец (Beta Pictoris) дори може да се проследи орбиталното движение на планетата в продължение на две години.

Космическият телескоп Хъбъл също не успя да намери планета, въпреки продължителните наблюдения на прахов диск около звездата Фомалхаут.

През следващите години броят на екзопланети, открити и изследвани с директния метод само ще расте. НАСА има проект да изведе космическа обсерватория Exo-S, която се състои от отделен телескоп и коронограф. Но датата на старта все още е неизвестна.

Транзитен метод

Това е индиректен метод за определяне на броя на планетите, техния размер, орбиталния период и орбитални параметри. В някои случаи може дори да се получи приблизителна представа за състава на атмосферата. В момента, този метод е рекордьор по брой на открити планети, най-вече защото позволява на телескопите да работят върху цели области, вместо да се фокусират върху една цел.

Принципът на действие на транзитния метод е фотометрия. По време на наблюдението се регистрира интензитета на светлината на звездата. Ако между нас и звездата минава планетата, яркостта на звездата намалява и този момент се регистрира на графика на яркостта.

Ако спадовете на яркостта се случват редовно и винаги са еднакви, може да се предположи, че този ефект се предизвиква от планета.

Не само планета може да предизвика колебания в яркостта на една звезда. Това може да са вътрешни цикли или партньор - друга звезда. Затова транзитният метод трябва да бъде потвърден от независим метод. Сега има няколко хиляди транзитни кандидати, които постепенно се потвърждават или отричат.

Въпреки успеха си, този метод има някои недостатъци:

1. Въпрос е на късмет орбитата на планетата да лежи на линията на нашия поглед от Земята. Например, Венера всеки 7,5 месеца прави обиколка около Слънцето, но следващият транзит ще бъде през 2117 година. Меркурий прелита често, например най-близкият му транзит ще бъде на 9 май 2016 г.
2. Методът на транзита работи най-добре за планети с особено големи размери, близки до звездата. Именно с транзитния метод са направени много открития на т. нар. "горещи Юпитери" - близки до своите звезди гигантски планети. Интересно е, че тези открития опровергават съществуващата преди това теория за формирането на планетните системи, която обяснява разпределението на скалисти и газообразни планети в Слънчевата система.
3. Търсенето на подобни на Земята екзопланети изисква дълги наблюдения, тъй като от единичен транзит не могат да се вадят изводи, необходимо е да се получи статистика: най-малко три транзита. Например, за да открият Земята по транзитния метод извънземните трябва да наблюдават Слънцето най-малко три години.

С развитието на космическите изследвания дългото непрекъснато наблюдение на голям брой звезди стана възможно. Космическият телескоп Кеплер е насочен към звездния куп в съзвездието Лебед. Той направи много открития, но за съжаление всичките планети са на разстояние от 2-3 хиляди св. години, така че скоро физически няма да стигнем до тях.

Кеплер поработи стабилно в продължение на 4 години, докато не излязоха от строя два от четирите му двигателя-маховици, които позволяваха да поддържа ориентацията си. Нужни са поне три, за да се прицелва по трите оси, така че сега работи в много ограничен режим като използва два от маховиците и налягането на слънчевия вятър като трети. Ефективността му е намаляла с 95%, но е натрупал толкова статистически данни от наблюдения, така ще още дълго време ще слушаме за откритията, направени с него.

Проектът на института MIT, поддържан от НАСА за следващия телескоп за търсене на планети по транзитния метод в рамките на 100 св. години TESS се очаква да стартира през 2017 година.

Но така или иначе обществеността се вълнува повече от откриването на "много близки планети".

2. Метод на радиалните скорости (Доплерово отместване)

Този метод има феноменална точност, осигурена от прост физически принцип, който е в основата му. 

Всеки знае какво е дъга и как се формира. Дъждовната дъга е спектър на слънцето, получен по естествен начин. В спектъра на излъчване е скрит химичния състав на звездата, защото всеки химичен елемент, когато се нагрява, свети с различен цвят.

Това излъчване се регистрира чрез спектрометър и по различните спектрални линии е възможно да се определи състава на излъчващия обект. Ако светлината преминава през атмосферата на планетата или се отразява от повърхността, тогава част от светлината се поглъща и в спектъра се образуват дупки, които показват кои химични елементи са абсорбирали светлината.

В метода на радиални скорости се използва още едно физическо явление - червеното и синьо отместване.

Когато се изучава звезда, отдалечаваща се от нас, дължината на вълната на излъчената светлина се разтяга, което е причина целият й спектър да се измества към червеното. Ако обектът се отдалечава и излъчва червена светлина, тогава ние ще го регистрираме в инфрачервения диапазон, ако е зелен - в жълтия, ако е син - в зеления и ако е син ше се отмести в зеления.

Синьото отместване е обратен процес. Ако звездата се носи към нас, спектърът й посинява, измества се към синьо и ултравиолетово.

Има още един аспект - движението на две тела около един и същ център на масите. 

Ние всички знаем, че Земята се върти около Слънцето. Това е вярно, но не съвсем. Всъщност, Слънцето и Земята се въртят около центъра на масите и на двата обекта и той не съвпада с центъра на Слънцето. Такъв ефект има и при Земята и Луната. При Плутон и Харон масовия център се намира извън Плутон, така двете тела се въртят около условна точка между тях.

Разбира се незначителната маса на Земята води до много леко отместване на Слънцето - около 50 км, но Юпитер кара Слънцето да се отклони до 750 000 км, тоест Юпитер и Слънцето, както и Плутон с Харон се върти около една точка в пространството.

Сега всички тези изброени свойства обединяваме в един-единствен метод за търсене: екзопланета, въртяща се около своята звезда, принуждавайки я да се върти с отклонение от своя център на масата. Съответно, по отношение на външен наблюдател, звездата ту ще се отдалечава, ту ще се приближава, което ще доведе до червено, след това до синьо отместване на спектъра.

Ако имаме достатъчно чувствителен спектрометър, ще бъде можем да видим как периодично червенее и синее спектърът на звездата, в пълно съответствие с орбиталната динамика на планетата.

За точността на метода говори фактът, че спектрографът HARPS на телескопа на 3,6 метровия La Silla на Европейската южна обсерватория позволява да се проследи движението на звезди със скорост 1 метър в секунда. Този метод ни позволява да намираме планети, подобни на Земята на разстояние 150 светлинни години от нас, а на юпитероподобни - до няколко хиляди. светлинни години. Обикновено с метода на Доплеровото отместване се проверяват кандидатит- планетите, получени с метода на транзита.

За съжаление, този метод изисква множество наблюдения на всеки обект, така че му е трудно да догони Кеплер и не му достига време, за да проучи околните звезди. В рамките на проекта Pale Red Dot спектрографът HARPS търси подобни на Земята планети около нашата най-близката звезда Проксима Кентавър. Резултатите все още не са публикувани, но очакванията са много обнадеждаващи. 

Всъщност тези два метода - транзитният и Доплеровото отместване формират практически почти всички търсения:

Има още няколко оригинални методи, които с някои резерви, все пак работят.

3. Изменение на орбиталната фаза на отразената светлина

Методът е подобен на транзитният, само че регистрира не спада, а увеличението на яркостта. Ефектът възниква, когато една планета близо до звездата е във фазата четвъртинка и част от падащата светлина се отразява в нашата посока. По същия начин блясъкът на вечерната или сутрешна Венера се добавя към яркостта на Слънцето. Ефектът зависи от размера на екзопланетата, близостта му до звездата и яркостта на отразената светлина. Методът е груб, но не изисква позициониране на орбитата на планетата на линията на погледа ни.

4. Астрометричен метод

Този метод е подобен на метода на Доплеровото отместване, изисква дългосрочни наблюдения, но не изисква спектрометри.

В хода на наблюденията позицията на звездата внимателно се регистрира спрямо близките обекти, и ако има вълнообразни отклонения, това показва наличието на достатъчно масивен спътник, който принуждава звездата да се въртят около общ център на масите. Ясно е, че звездата трябва да бъде малка, а планетата й масивна, така че често се натъкват по този метод на  двойни звезди с кафяво джудже партньор.

5. Метод на гравитационната леща

Това е оригинален метод на базата на ефектите на отклонение на светлината от гравитационното поле на масивни обекти.

Ефектът на гравитационната леща възниква, ако точно на линията на нашия поглед се окажат две ярки и достатъчно масивни тела. Например звезда от нашата галактика преминава между нас и друга далечна звезда или галактика. Гравитацията на близката звезда влияе на светлината на далечния обект, отклонява я и оформя ефект на "леща". Ако гравитационното поле на звездата се деформира от гравитацията на екзопланети в системата си, то и в лещата ще се появят нарушения.

Развитието на този метод е търсенето на нарушения в ефекта на лещата, причинени от невидими планети, а също и отклонения, предизвикани от блуждаещи из галактиката планети без собствени звезди.

Такива търсения наскоро започна Кеплер отново пренасочвайки се към центъра на галактиката Млечен път. При извършването на тази маневра връзката с телескопа се изгуби, но сега се възстанови и с нетърпение очакваме нови данни.

В близко бъдеще очакваме да научим още много за екзопланетите. Стартът на космическа обсерватория James Webb и строителството на Европейскиоят телескоп Extreme, появата на по-чувствителни спектрографи, които ще заменят HARPS, и резултатите от Обсерватория Gaia, ще нио дадат много знания за структурата и произхода на близки и далечни звездни системи и да разберем имаме ли шанс да намерим "резервна Земя", извънземен живот или дори разумни обитатели на екзопланетите.