Планетарная система - Planetary system

Художественная концепция планетной системы

Планетарная система представляет собой набор гравитационно связанные не- звездных объектов в или из орбиты вокруг звезды или звездной системы . Вообще говоря, системы с одной или несколькими планетами составляют планетную систему, хотя такие системы могут также состоять из тел, таких как карликовые планеты , астероиды , естественные спутники , метеороиды , кометы , планетезимали и околозвездные диски . ВС вместе с планетарной системой вращается вокруг него, в том числе Земли , образуют солнечную систему . Термин экзопланетная система иногда используется по отношению к другим планетным системам.

По состоянию на 1 октября 2021 года насчитывается 4843 подтвержденных экзопланеты в 3579 планетных системах, причем 797 систем имеют более одной планеты . Известно, что диски обломков также распространены, хотя другие объекты наблюдать труднее.

Особый интерес для астробиологии представляет обитаемая зона планетных систем, где планеты могут иметь жидкую воду на поверхности и, следовательно, способность поддерживать земную жизнь.

История

Гелиоцентризм

Исторически гелиоцентризм (доктрина о том, что Солнце находится в центре Вселенной) противопоставлялся геоцентризму (помещая Землю в центр Вселенной).

Идея гелиоцентрической Солнечной системы с Солнцем в центре, возможно, впервые была предложена в ведической литературе древней Индии , где Солнце часто упоминается как «центр сфер». Некоторые интерпретируют Арьябхатт писание «s в Āryabhaṭīya , как неявно гелиоцентрические.

Идея была впервые предложена в западной философии и греческой астрономии еще в 3 веке до нашей эры Аристархом Самосским , но не получила поддержки со стороны большинства других древних астрономов.

Открытие Солнечной системы

О вращении небесных сфер от Коперника , опубликованного в 1543 году, представили первый математически прогностическую гелиоцентрическую модель планетарной системы. Преемники 17-го века Галилео Галилей , Иоганн Кеплер и сэр Исаак Ньютон разработали понимание физики, которое привело к постепенному принятию идеи о том, что Земля движется вокруг Солнца и что планеты управляются теми же физическими законами, которые управляли Землей.

Спекуляции на внесолнечных планетных системах

В XVI веке итальянский философ Джордано Бруно , один из первых сторонников теории Коперника, согласно которой Земля и другие планеты вращаются вокруг Солнца, выдвинул точку зрения, согласно которой неподвижные звезды подобны Солнцу и также сопровождаются планетами. Римская инквизиция сожгла его на костре за свои идеи .

В XVIII веке такая же возможность была упомянута сэром Исааком Ньютоном в " General Scholium ", завершающей его Principia . Сравнивая с планетами Солнца, он писал: «И если неподвижные звезды являются центрами подобных систем, все они будут построены по схожему замыслу и будут подчиняться владычеству Единого ».

Его теории набирали обороты в XIX и XX веках, несмотря на отсутствие подтверждающих доказательств. Задолго до того, как их подтвердили астрономы, предположения о природе планетных систем были в центре внимания поисков внеземного разума и были преобладающей темой в художественной литературе , особенно в научной фантастике.

Обнаружение экзопланет

Первое подтвержденное обнаружение экзопланеты произошло в 1992 году, когда было обнаружено несколько планет земной массы, вращающихся вокруг пульсара PSR B1257 + 12 . Первое подтвержденное обнаружение экзопланет звезды главной последовательности было сделано в 1995 году, когда планета-гигант 51 Pegasi b была обнаружена на четырехдневной орбите вокруг ближайшей звезды G-типа 51 Pegasi . С тех пор частота обнаружений увеличилась, в частности, благодаря усовершенствованию методов обнаружения внесолнечных планет и специальным программам поиска планет, таким как миссия Кеплера .

Происхождение и эволюция

Художественная концепция протопланетного диска

Планетные системы происходят из протопланетных дисков, которые образуются вокруг звезд в процессе звездообразования .

Во время формирования системы большая часть материала гравитационно рассеивается на далекие орбиты, а некоторые планеты полностью выбрасываются из системы, становясь планетами-изгоями .

Развитые системы

Звезды большой массы

Были открыты планеты, вращающиеся вокруг пульсаров . Пульсары - это остатки взрывов сверхновых звезд большой массы, но планетная система, существовавшая до сверхновой, скорее всего, будет в основном разрушена. Планеты либо испарялись, либо сбивались со своих орбит массами газа взрывающейся звезды, либо внезапная потеря большей части массы центральной звезды заставляла бы их вырваться из гравитационной хватки звезды, либо в некоторых случаях сверхновая будет удар сам пульсар из системы на высокой скорости так что любые планеты, пережившие взрыв будет оставлен позади , как свободно плавающих объектов. Планеты, обнаруженные вокруг пульсаров, возможно, образовались в результате существовавших ранее звездных спутников, которые почти полностью испарились в результате взрыва сверхновой, оставив после себя тела размером с планету. В качестве альтернативы, планеты могут образовываться в аккреционном диске из запасного вещества, окружающего пульсар. Запасные диски вещества, которые не смогли покинуть орбиту во время сверхновой, также могут образовывать планеты вокруг черных дыр .

Меньшие по массе звезды

Протопланетные диски, наблюдаемые с помощью очень большого телескопа .

По мере того, как звезды развиваются и превращаются в красных гигантов , асимптотических гигантских ветвей звезд и планетарных туманностей, они поглощают внутренние планеты, испаряя или частично испаряя их, в зависимости от их массы. По мере того, как звезда теряет массу, планеты, которые не были поглощены, удаляются от звезды.

Если эволюционировавшая звезда находится в двойной или кратной системе, то теряемая ею масса может передаваться другой звезде, образуя новые протопланетные диски и планеты второго и третьего поколения, которые могут отличаться по составу от исходных планет, что также может быть затронуто. по массообмену.

Системные архитектуры

Солнечная система состоит из внутренней области маленьких каменистых планет и внешней области крупных газовых гигантов . Однако другие планетные системы могут иметь совершенно иную архитектуру. Исследования показывают, что архитектура планетных систем зависит от условий их первоначального формирования. Было обнаружено много систем с горячим газовым гигантом Юпитера очень близко к звезде. Теории, такие как планетная миграция или рассеяние, были предложены для образования больших планет, близких к их родительским звездам. В настоящее время найдено несколько систем, аналогичных Солнечной системе, с планетами земной группы, близкими к родительской звезде. Чаще обнаруживаются системы, состоящие из нескольких Суперземель .

Компоненты

Планеты и звезды

Спектральная классификация Моргана-Кинана

Наиболее известные экзопланеты орбиты звезды примерно похожую на Солнце : то есть, главная последовательность звезда из спектральных категорий F, G или K. Одной из причин является то , что планета-поиск программы имеет тенденцию концентрироваться на таких звездах. Кроме того, статистические анализы показывают , что более низкие-массовые звезды ( красные карлики , из спектральной категории M), менее вероятно, имеют планеты массивные достаточно , чтобы быть обнаружено с помощью метода лучевых скоростей . Тем не менее, несколько десятков планет вокруг красных карликов были обнаружены космическим аппаратом Кеплер методом транзита , который может обнаруживать более мелкие планеты.

Околозвездные диски и пылевые структуры

Обломки диски , обнаруженные в HST архивных изображений молодых звезд, HD 141943 и HD 191089 , с использованием процессов , улучшение визуализации (24 апреля 2014 года).

После планет околозвездные диски являются одним из наиболее часто наблюдаемых свойств планетных систем, особенно молодых звезд. Солнечная система имеет по крайней мере четыре основных околозвездные дисков ( пояса астероидов , пояс Койпера , рассеянный диск и облако Оорта ) и четко наблюдаемыми диски были обнаружены вокруг около солнечных аналогов , включая Эпсилон Эридана и Тау Кита . На основании наблюдений за многочисленными подобными дисками предполагается, что они являются довольно частыми атрибутами звезд на главной последовательности .

Межпланетные пылевые облака изучались в Солнечной системе, и считается, что их аналоги присутствуют в других планетных системах. Экзозодиакальная пыль, экзопланетный аналог зодиакальной пыли , частицы аморфного углерода и силикатной пыли размером от 1 до 100 микрометров , заполняющие плоскость Солнечной системы, была обнаружена вокруг систем 51 Змееносца , Фомальгаута , Тау Кита и Веги .

Кометы

По состоянию на ноябрь 2014 года известно 5 253 кометы Солнечной системы, и они считаются обычными компонентами планетных систем. Первые экзокометы были обнаружены в 1987 году вокруг Beta Pictoris , очень молодой звезды главной последовательности A-типа . Сейчас в общей сложности 11 звезд, вокруг которых наблюдались или подозревались экзокометы. Все обнаруженные экзокометарные системы ( Beta Pictoris , HR 10 , 51 Ophiuchi , HR 2174 , 49 Ceti , 5 Vulpeculae , 2 Andromedae , HD 21620 , HD 42111 , HD 110411 и, совсем недавно, HD 172555 ) находятся вокруг очень молодых звезд A-типа .

Прочие компоненты

Компьютерное моделирование столкновения в 2013 году, обнаруженного космическим телескопом Спитцера вокруг звезды NGC 2547 -ID8 и подтвержденного наземными наблюдениями, предполагает участие крупных астероидов или протопланет, аналогичных событиям, которые, как считается, привели к образованию планет земной группы, таких как Земля.

Основываясь на наблюдениях за большой коллекцией естественных спутников Солнечной системы, они считаются общими компонентами планетных систем; однако существование экзолун пока не подтверждено. Звезда 1SWASP J140747.93-394542.6 в созвездии Центавра является сильным кандидатом на роль естественного спутника Земли. Судя по имеющимся данным, подтвержденная внесолнечная планета WASP-12b также имеет по крайней мере один спутник.

Орбитальные конфигурации

В отличие от Солнечной системы, орбиты которой почти круговые, многие известные планетные системы имеют гораздо более высокий эксцентриситет орбиты . Пример такой системы - 16 Лебедей .

Взаимная склонность

Взаимный наклон двух планет - это угол между их орбитальными плоскостями . Ожидается, что многие компактные системы с множеством близких планет внутри эквивалентной орбиты Венеры будут иметь очень низкие взаимные наклоны, поэтому система (по крайней мере, близкая часть) будет даже более плоской, чем Солнечная система. Захваченные планеты можно было захватить под любым произвольным углом к ​​остальной части системы. По состоянию на 2016 год существует всего несколько систем, в которых фактически измерялись взаимные наклонения. Одним из примеров является система Апсилон Андромеды : планеты c и d имеют взаимное наклонение около 30 градусов.

Орбитальная динамика

Планетные системы можно разделить на категории в соответствии с их орбитальной динамикой как резонансные, нерезонансно взаимодействующие, иерархические или некоторые их комбинации. В резонансных системах орбитальные периоды планет выражены в целочисленных отношениях. Система Kepler-223 содержит четыре планеты в орбитальном резонансе 8: 6: 4: 3 . Планеты-гиганты чаще встречаются в резонансах среднего движения, чем планеты меньшего размера. Во взаимодействующих системах орбиты планет достаточно близки друг к другу, что нарушает их орбитальные параметры. Солнечную систему можно охарактеризовать как слабо взаимодействующую. В сильно взаимодействующих системах законы Кеплера не выполняются. В иерархических системах планеты расположены так, что с точки зрения гравитации система может рассматриваться как вложенная система двух тел, например, в звезде с горячим юпитером, находящимся близко друг к другу, а другой газовый гигант находится намного дальше от него, звезда и горячий юпитер образуют единое целое. пара, которая появляется как единый объект на другой планете, находящейся достаточно далеко.

Другие, пока не наблюдаемые орбитальные возможности включают: двойные планеты ; различные коорбитальные планеты, такие как квазиспутники, трояны и обменные орбиты; и взаимосвязанные орбиты, поддерживаемые прецессирующими орбитальными плоскостями .

Количество планет, относительные параметры и расстояния

Расстояние между орбитами в разных системах, обнаруженных космическим кораблем «Кеплер», сильно различается.

Захват планеты

Свободно плавающие планеты в рассеянных скоплениях имеют скорость, аналогичную скорости звезд, и поэтому их можно снова поймать. Обычно их захватывают на широкие орбиты между 100 и 10 5 а.е. Эффективность захвата уменьшается с увеличением размера кластера, а для данного размера кластера она увеличивается с увеличением массы хоста / первичного элемента. Он почти не зависит от массы планеты. Одиночные и множественные планеты могут быть захвачены на произвольные невыровненные орбиты, некомпланарные друг другу, со вращением звездного хозяина или с уже существующей планетной системой. Некоторая корреляция металличности планета-хозяин все еще может существовать из-за общего происхождения звезд из одного и того же скопления. Маловероятно, что планеты будут захвачены вокруг нейтронных звезд, потому что они, вероятно, будут выброшены из скопления ударом пульсара при их формировании. Планеты могут быть даже захвачены вокруг других планет, чтобы сформировать свободно плавающие двойные системы планет. После того, как скопление рассредоточится, некоторые из захваченных планет с орбитами больше 10 6 а.е. будут медленно разрушаться галактическим приливом и, вероятно, снова станут свободно плавать из-за столкновений с другими звездами поля или гигантскими молекулярными облаками .

Зоны

Жилая зона

Расположение жилой зоны вокруг звезд разных типов

Обитаемая зона вокруг звезды - это область, в которой температурный диапазон позволяет жидкой воде существовать на планете; то есть не слишком близко к звезде, чтобы вода испарялась, и не слишком далеко от звезды, чтобы вода могла замерзнуть. Тепло, производимое звездами, зависит от размера и возраста звезды; это означает, что жилая зона также будет соответственно меняться. Кроме того, атмосферные условия на планете влияют на способность планеты удерживать тепло, поэтому расположение обитаемой зоны также является специфическим для каждого типа планеты.

Зоны обитания обычно определяются с точки зрения температуры поверхности; однако более половины биомассы Земли создается подповерхностными микробами, и температура повышается с увеличением глубины под землей, так что подповерхностные слои могут быть благоприятными для жизни, когда поверхность заморожена; если это учесть, обитаемая зона простирается намного дальше от звезды.

Исследования 2013 года показали, что 22 ± 8% звезд, подобных Солнцу, имеют планету размером с Землю в обитаемой зоне.

Зона Венеры

Зона Венеры - это область вокруг звезды, где на планете земной группы будут неконтролируемые парниковые условия, такие как Венера , но не настолько 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 потенциально имеют планеты, подобные Венере, в зависимости от размера планеты и расстояния от звезды, увеличиваясь до 45% для звезд K-типа и G-типа . Было идентифицировано несколько кандидатов, но необходимы последующие спектроскопические исследования их атмосфер, чтобы определить, похожи ли они на Венеру.

Галактическое распределение планет

По состоянию на июль 2014 года 90% планет с известным расстоянием находятся в пределах 2000 световых лет от Земли.

Млечный Путь составляет 100000 световых лет, но 90% планета с известными расстояниями находятся в пределах около 2000 световых лет от Земли, по состоянию на июль 2014 г. Один из способов , который может обнаружить планеты гораздо дальше будет микролинзированием . WFIRST космического аппарат может использовать микролинзирова- для измерения относительной частоты планет в галактическом по сравнению с галактическим диском . Пока что есть признаки того, что планеты чаще встречаются в диске, чем в выпуклости. Оценить расстояние до событий микролинзирования сложно: первая планета с высокой вероятностью попадания в балдж - это MOA-2011-BLG-293Lb на расстоянии 7,7 килопарсеков (около 25 000 световых лет).

Население I , или звезды , богатые металлами , - это молодые звезды с самой высокой металличностью . Высокая металличность звезд населения I делает их более вероятными обладателями планетных систем, чем более старые популяции, потому что планеты образуются в результате аккреции металлов. Солнце - пример богатой металлами звезды. Они распространены в спиральных рукавах в Млечном Пути . Как правило, самые молодые звезды, крайняя популяция I, находятся дальше, а звезды промежуточной популяции I - дальше, и т. Д. Солнце считается звездой промежуточной популяции I. Звезды населения I имеют правильные эллиптические орбиты вокруг центра Галактики с низкой относительной скоростью .

Население 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 ) металличность меньше, чем у Солнца. Эти объекты сформировались в более ранние времена Вселенной. Звезды промежуточного населения II часто встречаются в выпуклости около центра Млечного Пути , тогда как звезды населения II, обнаруженные в галактическом гало , старше и, следовательно, более бедны металлами. Шаровые скопления также содержат большое количество звезд населения II. В 2014 году было объявлено о первых планетах вокруг звезды гало вокруг звезды Каптейна , ближайшей к Земле звезды гало, на расстоянии около 13 световых лет от Земли. Однако более поздние исследования показывают, что Kapteyn b - это просто артефакт звездной активности и что Kapteyn c нуждается в дополнительных исследованиях для подтверждения. Металличность звезды Каптейна оценивается примерно в 8 раз меньше, чем у Солнца.

Различные типы галактик имеют разную историю звездообразования и, следовательно, образования планет . На формирование планет влияют возраст, металличность и орбиты звездных популяций внутри галактики. Распределение звездного населения внутри галактики варьируется между разными типами галактик. Звезды в эллиптических галактиках намного старше звезд в спиральных галактиках . Большинство эллиптических галактик содержат в основном звезды малой массы с минимальной активностью звездообразования . Распределение различных типов галактик во Вселенной зависит от их расположения в скоплениях галактик , при этом эллиптические галактики находятся в основном близко к их центрам.

Смотрите также

Примечания

использованная литература

дальнейшее чтение