Никога не сме виждали нещо подобно на Слънчевата система

С лед забележителното откритие през 1992 г. на две планети, обикалящи около звезда извън нашата Слънчева система, хиляди нови светове бяха добавени към бързо нарастващия списък на "екзопланетите" в галактиката Млечен път.

Научихме много неща от този огромен каталог на чужди светове, обикалящи около чужди звезди. Но една малка подробност се откроява като болка в пръста. Не сме открили нищо друго като нашата Слънчева система.

Това накара някои да стигнат до заключението, че нашата родна звезда и нейното потомство може да са нещо извънредно - може би единствената по рода си планетарна система.

В последствие това може да означава, че самият живот е изключение; че условията, които са формирали Земята и нейната обвивка от самовъзпроизвеждаща се химия, са трудни за възпроизвеждане.

Ако гледате само цифрите, перспективите са мрачни. До голяма степен най-многобройните екзопланети, които сме идентифицирали до момента, са от тип, за който не е известно да е благоприятен за живот: гиганти и субгиганти, от газови и може би ледени видове.

Повечето екзопланети, които сме наблюдавали досега, обикалят около звездите си много близо, на практика ги прегръщат; толкова близо, че температурите им биха били много по-високи от познатите граници на обитаемост.

Възможно е, докато продължаваме да търсим, статистиката да се балансира и да видим повече места, които ни напомнят за собствения ни двор. Но въпросът е много по-сложен от това да се гледат само цифри. Науката за екзопланетите е ограничена от възможностите на нашата технология. Нещо повече, впечатлението ни за истинското разнообразие на извънземните светове рискува да бъде ограничено от собственото ни въображение.

Това, което наистина се намира в галактиката Млечен път и отвъд нея, може да е много различно от това, което виждаме в действителност.

Науката за екзопланетите има история на подкопаване на очакванията още от самото начало.

"Ако се върнете в онзи свят, в който израснах, когато бях дете, знаехме само за една планетарна система", казва пред ScienceAlert планетарният учен Джонти Хорнър от Университета на Южен Куинсланд.

"И така, това беше един вид имплицитно предположение, а понякога и експлицитно предположение, че всички планетни системи ще бъдат такива. Знаете, че в близост до звездата има скалисти планети, които са доста малки, на голямо разстояние от звездата има газови гиганти, които са доста големи. И това е начинът, по който изглеждат планетарните системи."

Поради тази причина на учените им отне известно време да идентифицират екзопланета, която обикаля около звезда от главната последователност, като нашето Слънце. Ако предположим, че другите слънчеви системи са като нашата, предупредителните знаци за тежки планети, които се дърпат за звездите си, биха отнели години, за да бъдат наблюдавани, точно както на нашите газови гиганти са необходими години, за да завършат една орбита.

Въз основа на толкова дълги периоди на едно измерване не изглеждаше, че си струва труда да се пресява сравнително кратката история на наблюденията за много звезди, за да се отсее окончателно друга слънчева система от главната последователност.

Когато най-накрая потърсиха, откритата от тях екзопланета нямаше нищо общо с това, което очакваха: газов гигант с маса наполовина по-малка (и два пъти по-голяма) от тази на Юпитер, обикалящ толкова близо до своята звезда-домакин, че годината му се равнява на 4,2 дни, а атмосферата му изгаря при температури от около 1000 градуса по Целзий (1800 градуса по Фаренхайт).

Оттогава научихме, че тези планети от типа "горещ Юпитер" съвсем не са странни. Ако не друго, те изглеждат сравнително често срещани.

Вече знаем, че в галактиката има много по-голямо разнообразие от това, което виждаме в нашата родна система. Важно е обаче да не приемаме, че това, което можем да открием в момента, е всичко, което Млечният път може да предложи. Ако там има нещо подобно на нашата собствена Слънчева система, много е вероятно то да е извън нашите възможности за откриване.

"Неща като Слънчевата система са много трудни за откриване, те са малко извън нашите технологични възможности в момента", казва Хорнер.

"Много малко вероятно е земните планети да бъдат открити от някое от изследванията, които сме правили досега. Много малко вероятно е да открием Меркурий, Венера, Земя и Марс около звезда като Слънцето."

Нека бъдем напълно ясни: методите, които използваме за откриване на екзопланети, са невероятно умни. В момента има два, които са основните инструменти за откриване на екзопланети: транзитният метод и методът на радиалната скорост.

И в двата случая е необходим телескоп, чувствителен към много малки промени в светлината на звездата. Сигналите, които всеки от тях търси, обаче не могат да бъдат по-различни.

За транзитния метод се нуждаете от телескоп, който може да задържи звездата в полезрението си за продължителен период от време. Ето защо инструменти като космическия спътник на НАСА за изследване на транзитни екзопланети (TESS) са толкова мощни, че могат да фиксират сегмент от небето за повече от 27 дни, без да бъдат прекъсвани от въртенето на Земята.

Целта на този вид телескопи е да забележат сигнала за транзит - когато екзопланета преминава между нас и своята звезда-домакин, подобно на малък облак, който закрива няколко слънчеви лъча. Както можете да си представите, тези пропадания на светлината са малки. И едно проблясване не е достатъчно, за да се направи сигурен извод за наличието на екзопланета; има много неща, които могат да отслабят светлината на звездата, като много от тях са еднократни събития. Златният стандарт са многобройните транзити, особено тези, които се характеризират с редовна периодичност.

Затова данните дават предимство на по-големи екзопланети, които са с кратки орбитални периоди, по-близо до звездите си, отколкото Меркурий до Слънцето (някои от тях са много, много по-близо, на орбити с продължителност под една земна седмица).

Методът на радиалната скорост открива колебанията на звездата, причинени от гравитационното привличане на екзопланетата, докато тя се върти по своята орбита. Виждате, че една планетарна система всъщност не обикаля около звездата, а танцува в координирано движение. Звездата и планетите обикалят около общ гравитационен център, известен като барицентър. За Слънчевата система това е точка, която се намира много близо до повърхността на Слънцето или точно извън нея, главно поради влиянието на Юпитер, чиято маса е повече от два пъти по-голяма от масата на всички останали планети, взети заедно.

We've Never Seen Anything Like The Solar System. Is It a Freak in Space? https://t.co/AuvkGZ0Nlh

— ScienceAlert (@ScienceAlert) June 14, 2023

За разлика от светкавичното събитие при транзита, промяната в положението на звездата е постоянна промяна, която не изисква постоянно наблюдение, за да се забележи. Можем да открием движението на далечни звезди, обикалящи около барицентъра си, защото това движение променя светлината им поради нещо, наречено ефект на Доплер.

Когато звездата се движи към нас, светлинните вълни, които идват в нашата посока, леко се смаляват към по-синия край на спектъра; когато тя се отдалечава, вълните се разтягат към по-червения край. Редовните "колебания" в светлината на звездата предполагат наличието на орбитален спътник.

Данните отново са в полза на по-големи планети, които оказват по-силно гравитационно влияние, на по-кратки и по-близки орбити до своята звезда.

Освен тези два известни метода, понякога е възможно да се направи директно изображение на екзопланета, докато тя обикаля около своята звезда. Въпреки че това е изключително трудно за изпълнение, то може да стане по-често срещано в ерата на JWST.

Според астронома Даниел Бейлис от Университета на Уоруик в Обединеното кралство този подход би разкрил почти противоположен клас екзопланети на разновидността с къси орбити. За да се види екзопланета, без тя да бъде залята от блясъка на своята звезда-майка, двете тела трябва да са на много голямо разстояние. Това означава, че подходът на директното изобразяване благоприятства планети на сравнително дълги орбити.

Въпреки това, по очевидни причини, по-големи екзопланети все пак ще бъдат забелязани по-лесно чрез този метод.

"Всеки от методите за откриване има свои собствени пристрастия", казва Бейлис.

Земята с нейната едногодишна обиколка около Слънцето се намира между крайните орбити, предпочитани от различните техники за откриване, каза той, така че "да се открият планети с едногодишна орбита все още е много, много трудно".

Какво има там?

Досега най-многобройната група екзопланети е клас, който дори не е представен в Слънчевата система. Това са мини-Нептун - газообразни екзопланети, които са по-малки от Нептун и по-големи от Земята по размер.

Повечето от потвърдените екзопланети се намират на много по-къси орбити от земната; всъщност повече от половината имат орбити, по-къси от 20 дни.

Повечето от откритите екзопланети обикалят около самотни звезди, подобно на нашето Слънце. По-малко от 10 % от тях се намират в многозвездни системи. И все пак повечето от звездите в Млечния път са членове на многозвездни системи, като според оценките до 80 процента от тях са наблюдавани в партньорство с поне една друга звезда в орбита.

Помислете обаче за момент върху това. Означава ли това, че екзопланетите са по-често срещани около единични звезди - или че екзопланетите се откриват по-трудно около многозвездни системи? Наличието на повече от един източник на светлина може да изкриви или да затъмни много сходните (но много по-малки) сигнали, които се опитваме да открием от екзопланети, но може да се предположи също, че многозвездните системи усложняват по някакъв начин формирането на планети.

И това ни връща отново у дома, към нашата Слънчева система. Колкото и странно да изглежда домът в контекста на всичко, което сме открили, той може би изобщо не е необичаен.

"Мисля, че е достатъчно справедливо да се каже, че всъщност има някои много общи типове планети, които липсват в нашата Слънчева система", казва Бейлис.

"Суперземи, които приличат малко на Земята, но имат двойно по-голям радиус, нямаме нищо подобно. Нямаме тези мини-Нептуни. Така че мисля, че е достатъчно справедливо да се каже, че има някои много често срещани планети, които не виждаме в нашата Слънчева система.

"Сега, дали това прави нашата Слънчева система рядка или не, мисля, че не бих отишъл толкова далеч. Защото би могло да има много други звезди, които имат набор от планети от типа на Слънчевата система, които ние просто не виждаме все още."

Първите екзопланети са открити само преди 30 години в орбита около пулсар - звезда, която е напълно различна от нашата. Оттогава насам технологията се е усъвършенствала извън полезрението. Сега, когато учените знаят какво да търсят, те могат да разработват все по-добри начини за откриването им около по-голямо разнообразие от звезди.

С напредването на технологията ще се увеличат и възможностите ни да откриваме все по-малки светове.

Това означава, че науката за екзопланетите може да се окаже на прага на откриването на хиляди светове, скрити от сегашния ни поглед. Както отбелязва Хорнер, в астрономията има много повече малки неща, отколкото големи.

Звездите червени джуджета са идеален пример за това. Те са най-разпространеният тип звезди в Млечния път - и са малки, с маса до около половината от тази на Слънцето. Те са толкова малки и слаби, че не можем да ги видим с просто око, но въпреки това представляват до 75% от всички звезди в галактиката.

В момента, когато става въпрос за статистическо разбиране на екзопланетите, ние работим с непълна информация, защото има видове светове, които просто не можем да видим.

Това със сигурност ще се промени.

"Просто имам това неприятно усещане, че ако се върнете след 20 години, ще гледате на тези твърдения, че мини-Нептуните са най-често срещаният вид планети, със същия скептицизъм, както на твърденията от началото на 90-те години, според които до звездата има само скалисти планети", казва Хорнър пред ScienceAlert.

"Сега може да се окаже, че греша. Това е начинът, по който работи науката. Но моето мнение е, че когато стигнем до момента, в който можем да открием неща с размерите на Земята и по-малки, ще установим, че има повече неща с размерите на Земята и по-малки, отколкото такива с размерите на Нептун."

И може би ще открием, че нашата странна малка планетарна система, с всичките си странности и чудеса, все пак не е толкова самотна в космоса.