Tag Archives: екзопланети

Астрономия, статия на деня: когато писателите фантасти се хванат за калкулаторите или може ли слънцето никога да не залязва над Татуин


В заглавието би трябвало да заменя калкулаторите с логаричтмични линийки, защото някой от статиите, който ще спомена по-нататък са доста стари.

Към размисли на тази тема ме подтикна една статия, която се появи през октомври миналата година на Ливърморския сървер за препринти от моя любим писател, австралиецът Грег Игън: http://arxiv.org/abs/1510.05345

Статията е изпратена в Astrophysical Journal, америакнско научно списание, което заедно с другото американски списание Astronomical Journal (то е ориентирано повече към чисто наблюдателни изследвания), с английското Monthly Notices of the Royal Astronomical Sosciety и с общоевропейското Astronomy and Astrophysics са местата където астрономите най-често публикуват статиите с резултатите си.

Все още статията на Игън не е приета, защото не е излязла на страницата на самото списание, но съдейски по това, че на сървера в края на май се появи трета коригирана версия, процесът ѝ на рецензиране е доста напреднал.

Игън не е чужд на научните публикации. По образование той е математик, има статии по изчислителни методи и нищо чудно, че тук става дума за теоретична работа.

Всичко започва малко по-рано – през 2015 година амерканският професор Юджин Окс, професор по физика в Университате в Оубърн публикува статия, в която предалага нов вид орбити в системите на двойни звезди.

* * *

Традиционно се смята, че ако звездите са достатъчно далече, около всяка от тях може да има стабилни планети. Точно такава е планетната система около главната звезда на двойната система Гама Цефей. Интересно, че първи докладваха за наличието на планети около тази звезда няколко канадски учени още през далечната 1988 година (Кябмъл, Уокър и Янг: http://adsabs.harvard.edu/abs/1988ApJ…331..902C; пдф-ът е публично достъпен), но резултатът им беше подложен на съмнение, и така откриватели на първата екзопланета станаха швейцарсите Майор и Коло през 1995 годна (http://adsabs.harvard.edu/abs/1995Natur.378..355M).

Вторият известен тип планетни орбити в двойните системи обикалят около центъра на масите на двете звезди и отново изминава време, преди първата подобна система да бъде призната от астрономическата общност – през 1993 година Торсет, Арзуманян и Теълър публликуваха статия (http://adsabs.harvard.edu/abs/1993ApJ…412L..33T), в която описват планета с маса около 30% от масата на земята, обикаляща около двойка състояща се от пулсар и бяло джудже. Към настоящия момент са известни двадесетина подобни планети (https://en.wikipedia.org/wiki/Circumbinary_planet), включително и около двойни звезди от глваната последователност.

* * *

Окс предлага съвършенно нов вид орбита в която планетата обикаля не около звездите, а около оста, която ги свързва. Представете си гира, в която топките са двете звезди. Дръжката е въпросната ост помежду им и планетата ще се движи по орбита, лежаща в развина перпендикулярна на дръжката.

Разбира се, аз тук опростявам. Статията на Окс се състои от дванадесет страници с формули, тук-там разредени с някоя фигура. Рашението е аналичитно, което не е за чудене, защото Окс е от руски произход (и вероятно първото му име всъщтност е Евгений, а не Юджин), а руската физика е известна с добрата си аналитична школа – бившите студенти по физика никога няма да забравят многотомника на Ландау и Лифшиц. Без да се задълбочавам с подробности само ще поясня, че орбитата всъщюност ще бъде конично сечение, например елипса, и равнината ѝ може да осцилира около точката на Лагранж между двете звезди. За любопитните – на Фигура 3 в статията на Окс има скица, която дава по-добра представа.

Наличието да подобни стабилни орбити е интересно по няколко причини. Първо, то има потенциала да разшири жилищната площ във Вселената, защото около 1/3 от звездите принадлежат на двойни, тройни и други системи с по-висока кратност. Второ, подобни системи са интересни с по-лесната си наблюдаемост – има голяма вероятност те да имат транзити (известни още като пасажи). Като истински теоретик Окс изследва и възможността планетите да бъдат открити по излъчваните гравитационни вълни. Гравитационни вълни излъчва и Земята докато обикаля около Слънцето, но планети на новопредсказаните орбити можат да имат много по-къса година от земната, и следователно ще излъчват с много по-голяма интензивност

* * *.

Татуин не обикаля около оста, свързваща двете звезди, който залязваха пред Люк, защото на плнетите, предсказани от Окс, двете звезди никога няма да се виждат едновременно, те винаги ще бъдат от противоположните страни на планетата, от което следва, че на нея никога няма да има нощ. През Викторианската епоха са казвали, че слънцето никога не залязва над Британската империа, просто защото тя е толкова голяма, че има територии на противоположните части на Земята. Слънцето (по-скоро едно от слънцата) никога няма да залязва над която и да е държава, намираща се Окс-овите планети.

Във фантастиката са описани планети, намиращи се в системите на двойни и по-високократни звездни системи. Един съвем скорошен пример е трилогията „Проблемът на трите тела“ (https://en.wikipedia.org/wiki/The_Three-Body_Problem; първият том спечели наградата Хюго за най-добър роман през 2015 година) от китайския автор Ли Ксицин. Там орбитата на планетата е хаотична, кратки епохи на „обитаемост“ се редуват с продължителни периоди, през които планетата е или леден хладилник, или огрнена фурна. Местните форми на живот се е приспособили, развивайки способност да се обезводняват и хибернират в този вид през периодите на необитаемост.

* * *

Статията на Игън е дълга само три странички – доста по-малко от обичайното. Тезата ѝ е описана кратко и ясно в абстракта: орбитите, предложени от Окс са нестабилни, ако се отчете орбиталното движение на двойната звезда. За да е стабилна орбитата, ъгловият момент трябва да се запазва; Окс допуска това, разглеждайки кръгова планетна орбита, точно перпендикулярна на линията, свързваща двете звезди, а Еган проверява това допускане и демонстрира, че ъгловият момент ще се мени с период, развен на периода на въртене на двойната звезда около общият ѝ център на масите.

Аз съм обикновен наблюдател, а не специалист по звездна динамика, статията все още не е приета за публикация, така че ще изчакам да преди да съдя кой е прав – очевидно проблемът не нетривиален и е лесно да се пропусне някой фин ефект. Ако Игън е прав, може само да съжаляваме, че предложените от Окс планетни системи не съществуват.

* * *

За мен е интересно друго – как би се образувала подобна система и дали изобщо е възможно. Проблемът е, че практически (запомнете тази уговорка, по-надолу ще се върна към нея) всички звездни системи, който познаваме до сега – от планетните системи и двойните звезди до галактиките, са се образували от диск – протопланетен, протозвезден или протогалактичен. Това е свързано с процеса на свиване на облаците материал, от които тези системи се образуват и с факта, че колапсът никога не е сферично симетричен. Достатъчно е облакът да има съвсем малко въртене преди началото на свиването, за да създаде то центробежна сила, която да се противопостави на свиването. При това въртенето се засилва в процеса на свиване – също както танцуващите на лед се завъртат по-бързо ако свият ръцете си, заради запазването на въртящия момент.

Центробежната сила породена от въртенето се противопоставя на свиването само в равината на въртене, докато по оста на въртене свиването протича без проблем. В резултатът се образува диск. По тази причина орбитите на планетите в повечето планетни системи лежат приблизително в една равнина и повечето галактики имат дискове. Освен въртенето, магнитните полета и излъчването на вече образувани звезди мога да възпрепятстват свиването, тук разглеждам опростена картина.

Сега да се върнем към уговорката, която направих по-нагоре. Наистина, орбитите на повечето планети лежат в една равнина, но не всички, орбитата на планетата джудже Седна например е наклонена на около 12 градуса спрямо земната орбита. А при галактиките има обекти, чиято форма няма нищо общо с диск – например елиптичните галактики. И в двата случая отговрни за тези „отклонения“ са процеси на взаимодействие – между Седна и гигантските планети; между галактиките, от чийто сливане са са образували самите елиптични галактики.

Нещо подобно е необходимо за образуването на планетните ситема от типа, предсказан от Окс: логично е да се предположи, че равнината на орбитата на двойите звезди, които са двата най-масивни обекта в системата, ще съвпада с екваториялната равина на протозвездния диск, от който са се образували те. А орбитата на планетата е перпендикулярна на тази равнина и е мното трудно да си представим как ще се образува подобна планетна система и от къде ще се вземе моментът, който ще движи планетата по орбитата ѝ. Едиственото обяснение е взаимодействие с друга ситема, точно ориентирано в равнина, перпендикулярна на орботалана равнина на двойната звезда, а такова съвпадение е малко вероятно.

* * *

Това е аргумент за ниската вероятност да възникнат подобни сиситеми, а не аргумент за нестабилността им, какъвто привежда Игън. Моят аргумент има наблюдателно отвърждение – защото същият механизъм на образване работи при галактиките и там той е също толкова рядък: известни са галактики с две перпендикуларни структури (те се наричат галактики с полярен кръг: https://en.wikipedia.org/wiki/Polar-ring_galaxy) и честотата им при галактиките, които със сигурност са претърпели взаимодействия наскоро (по вселенски мащаби, разбира се; такива галактики сами по себе си се срещат рядко) се измерва с няколко процента (атлас и каталог на подобни галактики може да се види тук: http://adsabs.harvard.edu/abs/2011MNRAS.418..244M).

* * *

Игън не е единственият фантаст, оставил името си сред авторите на научни статии. Но обикновено пътят води в обратна посока – учени, прописват фантастика. Примерите са много, започвайки от Камил Фламарион (https://en.wikipedia.org/wiki/Camille_Flammarion) и стигайки до Алистър Рейнолдс (https://en.wikipedia.org/wiki/Alastair_Reynolds). Специално ще отбележа Борис Стргацки, който е работил известно време в Пулковската обсерватория, преди да стане професионален писател. Днес в астрономическите бази от публикации може да се намери една едиствена негова статия за асиметричната форма на планетите гиганти в Слъневата система (http://adsabs.harvard.edu/abs/1962IzPul..23..144P; това е статията, която навярно е написана с помощта логаричтмична линийка, а не на калкулатор).

Случаят с Игън е различен – той идва извън астрономията, макар да е програмист и специалист по приложна математика – и дава повод да си задам един друг въпрос: дали „външен“ човек може да произвежда научни резултати или специализацията в науката е достигнала ниво, което изключва подобна възможност. За това – друг път. А дали статията му ще бъде приета в списанието, ще покаже бъдещето.

Leave a comment

Filed under astronomy, астрономия, наука, science

Астрономия, статия на деня: планетната система TRAPPIST-1


Настоящата статия слага началото на рубрика по популярна астрономия в моя блог.

TRAPPIST е 60-сантиметров белгийско-швейцарски телескоп (TRAnsiting Planets and PlanetesImals Small Telescope; https://en.wikipedia.org/wiki/TRAPPIST), който работи на Ла Сия от 2010 година. Макар да се намира на най-старата наблюдателна база на ЕСО, телескопът е национален проект и за наблюдателно време с него не може да се кандидатства по обичайната система от заявки на ЕСО. За сметка на това консорциумът, който го използва, плаща на ЕСО „наем“ за използване съоръженията на обсерваторията.

TRAPPIST може да е малък, но вече си е осигурил място в историята на астрономията с наблюдения на множество окултации на астероиди и планети-джуджета (например http://adsabs.harvard.edu/abs/2012Natur.491..566O, с участието на вашия покорен слуга) и с откриването на първите пръстени около планета-джудже (Чарикло, http://adsabs.harvard.edu/abs/2014Natur.508…72B).

Преди седмица, на 2.05.2016, група колеги, предимно от Белгия и Швейцария, обявиха за ново откритие с TRAPPIST – система от три планети, обикалящи около студена червена звезда (или дори кафяво джудже – масата на тамошното „слънце“ е на границата между звезди и джуджета) само на 12 парсека от Слънчевата система. Панетите са открити по метода на транзитната фотометрия (https://en.wikipedia.org/wiki/Methods_of_detecting_exoplanets#Transit_photometry) – т.е. по намаляването на блясъка на звездата, когато планетата засенчва за наблюдателя част от звездната повърхност. Заради усилията на множество обзори, използващи този метод (https://en.wikipedia.org/wiki/HATNet_Project, https://en.wikipedia.org/wiki/SuperWASP, https://en.wikipedia.org/wiki/COROT, https://en.wikipedia.org/wiki/Kepler_%28spacecraft%29 и други) днес знаем за хиляди планети около други звезди. Някои от тези планети имат размери, сравними със земните. Случаят с трите планети около TRAPPIST-1 е точно такъв – радиусите им за 1.11, 1.05 и 1.16 земни радиуса. Масите им са неизвестни – за да се определят за необходими свръхточни измервания на радиалната скорост на звездата, които вероято ще бъдат получени със следващото поколение свръхстабилни астрономически спектрографи (например ЕСПРЕССО – https://www.eso.org/sci/facilities/develop/instruments/espresso.html).

Защо трите планети около TRAPPIST-1 са интересни:

– размерите им позволяват да са подобни на Земята. Тук подбрах думите си много внимателно, защото сходният радиус не гарантира сходство на физичните условия на повърхността на планетата: Венера има радиус около 0.9 от земния, но освен че се намира по-близо до Слънцето, нейната атмосфера е много по-гъста и там действа значителен парников ефект.

– те са далече от звездата в тяхната система, значително по-далече от така наречените „горещи“ юпитери – планетите от този тип бяха първите открити около „нормални“ слънцеподобни звезди (пример: https://en.wikipedia.org/wiki/51_Pegasi_b), но те не са подходящи места за живот подобен на нашия, защото температурите на повърхността им се измерват в хиляди градуси. Тук е от значение един параметър, наречен irradiance, който на български може да се преведе като облъчване, и описва енергията, която планетата получава от централната звезда. Например Венера получава от Слънцето около 2 пъти повече енергия на единица площ, отколкото Земята, Марс – около 2.3 пъти по-малко, а Юпитер – около 27 пъти по-малко. Но радиусът на орбитата не е единственият важен параметър: светимостта на централната звезда също има знаечние. В планетна система, където вместо звезда с темература около 6000 келвина като Слънцето, имаме много по-студента звезда, планетите трябва да се намират по-близо до нея за да получват същото облъчване. Случаят с планетите около TRAPPIST-1 е точно такъв: радиусите на техните орбити са 0.011, 0.015 и 0.022-0.146 (за сега орбиталните параметри на третата планета не са известн достатъчно точно, затова давам интервал) от радиуса на земната орбита; двете вътрешни планети получават съответно 4.25 и 2.26 пъти повече енергия от тяхната звезда, колкото Земята получава от слънцето. За най-външната планета наблюденията поставят граници между същото количество енергия, което получава Земята и 1/50 от него. С други думи, поне една от трите планети има шанс да бъде нова „бледа синя точка“ (https://www.youtube.com/watch?v=p86BPM1GV8M)

– TRAPPIST-1 е ярка звезда (http://simbad.u-strasbg.fr/simbad/sim-id?Ident=2MASS+J23062928-0502285). Наистина, тя не се вижда с просто око и е доста червена, но за възможностите на най-добрите съвременни (и от близкото бъдеще: https://www.eso.org/sci/facilities/eelt/, https://en.wikipedia.org/wiki/James_Webb_Space_Telescope) астрономически инструменти, особенно в инфрачервената област, тя позволява да се използват за изследването на планетите около нея множество техники, неприложими за болшинството от другите екзопланети. Най-важните, но не единствените от тези техники са транзитната спектроскопия (https://www.eso.org/sci/meetings/2014/exoelt2014/presentations/LopezMorales.pdf) и промяната на времената на транзитите (често съкращавано като TTV; https://en.wikipedia.org/wiki/Transit-timing_variation).

Авторите на откритието са подготвили чудесна страница с информация: http://www.trappist.one/

Системата на TRAPPIST-1, заедно с GJ1214b, GJ436b, GJ1132b и още няколко подобни планети с малки радиуси, открити наскоро от Kepler/K2 (http://kepler.nasa.gov/) ще бъде източник на нови знания за екзопланетите и което е особено интересно, ще ни помогне да разширим представите си за разнообразието на физическите параметри на екзопланетите.

Leave a comment

Filed under astronomy, астрономия, наука, science