Научные исследования планет солнечной системы: Новые научные исследования планет Солнечной системы – информация для сообщения кратко (4 класс, окружающий мир)

Как придумали и запустили космический аппарат «Вояджер» — Сноб

Наука и технологии

В мае в издательстве «Альпина нон-фикшн» выходит книга Игоря Лисова «Разведчики внешних планет». Это подробная история подготовки, запусков и полетов «Пионеров» и «Вояджеров» — космических аппаратов, миссией которых было исследование планет Солнечной системы. «Сноб» публикует главу «Выбор пути и выбор имени»

4 мая 2022 17:13

Издательство: «Альпина нон-фикшн»

С момента утверждения проекта MJS-77 разработчики «держали в уме» возможность ревизии принятого решения и осуществления планов «Большого тура» в полном объеме. Летом 1974 г. Комиссия по космической науке Национальной академии наук предложила запустить 3 ноября 1979 г. третий, запасной аппарат, направив его по трассе Земля — Юпитер — Уран. Станция MJU-79 должна была пройти мимо Юпитера 10 апреля 1981 г. и достичь Урана уже в середине 1985 г. Прелесть идеи состояла в том, что аппарат должен был подходить к Урану со стороны одного из полюсов, имея возможность длительного наблюдения динамики полярных областей планеты. На этот дополнительный пуск с использованием носителя «Титан- Центавр» требовалось 177 млн долларов.

В конце апреля 1975 г. NASA предложило ученым принять участие в  проекте MJU-79 и  намеревалось запросить на 1977 ф. г. средства на его реализацию. В другое время, быть может, эта идея была бы уместна, но тогда США находились в  тисках экономического кризиса, связанного с прекращением конвертации доллара на золото и  четырехкратным ростом мировых цен на нефть. Двузначная инфляция, общее плачевное состояние американского бюджета и явное предпочтение Комиссии по космической науке проекту спутника Юпитера с зондом в его атмосфере заставили агентство в сентябре 1975 г. исключить средства на MJU-79 из проекта бюджетного запроса.

В конце 1975 г. руководители NASA согласились на компромисс, позволяющий достичь Урана в рамках проекта MJS-77, и в начале 1976 г. этот пункт вписали в цели миссии как возможную дополнительную задачу. Деньги на увеличение ресурса КА сверх необходимых четырех лет не выделялись, но разработчикам позволили «втихую» делать аппарат «с запасом» и обещали не предпринимать никаких шагов, которые помешали бы полету одной из двух станций от Сатурна к Урану и даже Нептуну. Помимо этого, агентство согласовало с Комиссией по атомной энергии требования к радиоизотопным генераторам, потребовав от них срок службы не менее десяти лет, а Конгресс в 1973 ф. г. выделил дополнительно 7 млн долларов на разработку перепрограммируемого в полете компьютера и средств избыточного кодирования информации. Без них полет к Урану и Нептуну вряд ли имел бы смысл.

Как только возобновились разговоры о полете к Урану, команда Рудольфа Хэнела из Центра космических полетов имени Годдарда предложила заменить свой ИК-радиометр IRIS на модифицированный MIRIS, более приспособленный для изучения этой холодной планеты. Была санкционирована срочная программа разработки нового прибора параллельно с изготовлением старого, и в начале 1977 г. казалось, что он успевает к установке на борт. Однако в процессе испытаний MIRIS возникли проблемы. Несколько недель в июне и июле исход борьбы был неясен, но в итоге времени на решение всех вопросов по MIRIS’ам не хватило. На «Вояджеры» поставили первоначально выбранные и хорошо отработанные инструменты.

В августе 1977 г. было официально объявлено, что если первый аппарат полностью выполнит программу исследований в системах Юпитера и Сатурна, включая близкий пролет Титана, а второй на подходе к Сатурну будет в добром здравии и с хорошими запасами расходуемых ресурсов, то траектория полета «Вояджера-2» будет изменена, и в результате гравитационного маневра у Сатурна он направится к Урану*. 

Чтобы иметь такую возможность, нужно было соответствующим образом спланировать полет двух станций. Учитывая научные задачи проекта и особый интерес к спутникам Ио, Ганимеду и Титану, были утверждены две траектории с условными обозначениями JST и JSX.

«Вояджер» — космический зонд

Фото: NASA / Wikipedia

Вариант JST предусматривал подробное знакомство со спутником Юпитера Ио и спутником Сатурна Титаном. По баллистическим условиям встреча с Ио была несовместима с полетом от Сатурна к Урану. Расчетной датой старта было 1 сентября 1977 г., пролет Юпитера планировался на 5 марта 1979 г. на расстоянии 350 000 км от центра планеты, а Сатурна — на 13 ноября 1980 г. на дистанции 200 000 км. На этой «оптимальной» для науки траектории аппарат проходил на расстоянии 22 000 км от Ио, через связанную с этим спутником плазменную «трубку». Далее еще до встречи с Сатурном он сближался с Титаном с минимальной дистанцией 7000 км — что позволяло изучить атмосферу спутника «на просвет», а затем проходил в 138 000 км ниже южного полюса Сатурна.

Трасса JSX реализовывалась при запуске 20 августа 1977 г. с пролетом Юпитера 9 июля 1979 г. и Сатурна 27 августа 1981 г. Аппарат удавалось провести в 55 000 км от Ганимеда, причем перед сближением с Юпитером до дистанции 714 000 км, а не после него, как в варианте JST. Если для первой станции мартовская встреча с Юпитером оказалась бы смертельной, июльский пролет давал второму аппарату шанс получить информацию по спутникам.

У Сатурна траектория JSX распадалась на два подварианта. В случае если бы исследования Титана первым аппаратом в ноябре 1980 г. не удались, новый аппарат прошел бы на расстоянии 205 000 км от центра планеты и в 15 000 км от Титана. При отсутствии такой необходимости выбиралась дистанция 163 000 км, и станция могла проследовать к Урану. В первом подварианте такая возможность опять-таки исключалась.

Это общая канва, а в реальности разработчики учитывали множество других ценных возможностей: радиопросвечивание атмосфер обеих планет и колец Сатурна, прохождение через «след» Титана, возможность съемки максимального количества галилеевых спутников Юпитера и т.д. 

Запуск по траектории JST нужно было выполнить позже, но все полетные события происходили раньше, чем в варианте JSX. Поэтому было решено считать первым тот аппарат, который будет запущен вторым по «базовому» варианту JST. Вот только как они будут называться?

Вплоть до начала 1977 г. проект сохранял буквенноцифровое обозначение MJS-77; предполагалось, что аппараты получат названия «Маринер-11» и «Маринер-12» вслед за «Маринером-10», исследовавшим Венеру и Меркурий. Однако разработчики резонно полагали, что их детище настолько сильно отличается от последних «Маринеров», летавших к Венере и Марсу, что заслуживает нового имени. Директор JPL Уильям Пикеринг предлагал назвать проект «Навигатор» (Navigator). Провели конкурс, и 4 марта 1977 г. было утверждено другое имя — «Вояджер». Кое-кому это показалось плохим знаком: мы помним, что так уже назывался нереализованный проект тяжелой марсианской станции, возродившийся в конечном итоге как «Викинг». Но кто сегодня помнит о том первом «Вояджере»? Теперь это имя навсегда вписано в историю науки вместе с темой «Большой тур»! 

Итак, список научных приоритетов проекта «Вояджер» в 1977 г. включал следующие пункты:

  • гравитационные поля Юпитера и Сатурна и массы спутников; 
  • динамика атмосфер обеих планет; 
  • магнитосферы Юпитера и Сатурна, включая данные по магнитным полям, заряженным частицам и взаимодействиям волн и частиц; 
  • взаимодействие спутников (особенно Ио) с этой средой; 
  • энергетический баланс Юпитера и Сатурна; 
  • атмосферы, состав поверхности и детали Титана и галилеевых спутников Юпитера, а по возможности и других спутников; 
  • Большое Красное Пятно Юпитера; 
  • кольца Сатурна; 
  • межпланетная и межзвездная среда; 
  • система Урана, если до нее удастся добраться.  

* На управление аппаратом и обработку научных данных в течение пяти дополнительных лет полета (1981–1986) нужно было около 100 млн долларов. Поэтому окончательное решение о продлении полета до Урана было принято лишь в ноябре 1980 г.

#наука,

#космос,

#XX век

«РТ-Техприемка» и Институт квантовой физики создадут ИТ-решение для исследования парниковых газов планеты

© ComNews

13.05.2021

АО «РТ-Техприемка» (входит в госкорпорацию «Ростех») и Институт квантовой физики (входит в ИРНИТУ) в рамках действующего соглашения о сотрудничестве планируют создать интернет-ресурс, с помощью которого можно будет проводить научные исследования и получать современные оценки поглощательной способности атмосферных газов. Проект будет полезен и доступен российским, международным ученым и специалистам, в частности, для получения данных о радиационных свойствах парниковых газов, присутствующих в атмосферах Земли, планет Солнечной системы, экзопланет и холодных звезд.

Спектроскопические методы позволяют определить состав газовых сред и охарактеризовать некоторые важные свойства молекулярных атмосфер. Интерпретация современных данных спектроскопического зондирования и идентификация молекулярного состава газовых сред требует соответствующего высокоточного теоретического расчета спектральных характеристик.

«В настоящее время перед научной группой ИКФ и «РТ-Техприемки» стоит цель создать портал, на котором пользователи смогут онлайн выполнить расчеты нужных спектров. Мы хотели бы предусмотреть возможность предоставлять помощь наших специалистов в исследовании спектров отдельных молекул или их комплексов», — сообщил первый заместитель генерального директора АО «РТ-Техприемка» Денис Конончук.

«В научном сообществе все более широкое развитие получают мощные вычислительные ресурсы коллективного доступа, позволяющие интерпретировать результаты спектроскопических экспериментов и моделировать поглощательные свойства газов на основе наиболее современных научных представлений. Уже около 10 лет витала идея создания такого ресурса, где в сложных арифметических расчётах присутствовал бы искусственный интеллект. Присутствие ИТ-решения в реализации научных исследований в сфере спектроскопии позволит существенно повысить точность расчетов, оптимизировать их и сократить время, затрачиваемое для получения желаемых результатов подсчета. Данный портал, на самом деле, станет одним из этапов глобального научного проекта. Мы также хотели бы создать специальную межведомственную лабораторию, обладающую современным парком научного оборудования, которое должно позволить проводить высокоточные исследования сложных молекулярных спектров в интересах атмосферных приложений. где могли бы с помощью специализированного оборудования исследовать явление парниковых газов Земли», — поясняет директор Института квантовой физики и доктор физико-математических наук Константин Казаков.

Напомним, что 2 ноября 2020 года АО «РТ-Техприемка» и ИРНИТУ заключили соглашение о сотрудничестве для совместного проведения исследовательской и прикладной работы в области спектроскопии, оптики и вычислительных технологий, а также научно-технического развития в области спектроскопии высокого разрешения и разработки оптических приборов, как для внутреннего, так и для внешнего рынка.

Астрономы наблюдают за рождением планет

В ту неделю, когда я поступил в аспирантуру, было объявлено о первых научных проектах нового телескопа Atacama Large Millimeter/submmillimeter Array (ALMA) в Чили. Этот новаторский объект использует десятки радиоантенн, работающих согласованно, для создания изображений, столь же подробных, как и изображения, сделанные одним телескопом шириной 16 километров. С таким исключительным разрешением ALMA может видеть глубже и дальше в миллиметровом и субмиллиметровом диапазоне длин волн, чем любой предыдущий телескоп. Я ухватился за возможность присоединиться к одному из его первых проектов — изучению диска из пыли и обломков вокруг ближайшей звезды под названием AU Mic. Предметом наших наблюдений было то, что ученые никогда не видели в таких подробностях до того, как была построена ALMA. Пыль и щебень могут показаться не такими захватывающими, но это сырье, из которого состоят планеты, и эта обсерватория дала нам шанс увидеть этот процесс в действии.

Потребовался еще год, чтобы данные были доставлены. Современная астрономия часто выполняется на расстоянии: вместо того, чтобы проводить долгие ночи в отдаленной горной обсерватории, все, что нам нужно было сделать, это отправить компьютерный сценарий, который сообщал телескопу, что и когда наблюдать. Затем мы терпеливо (или, чаще, с нетерпением) ждали, пока наши наблюдения будут запланированы и завершены. Я до сих пор помню предвкушение, чувство бабочки в животе, когда я ждал загрузки данных, и, когда они были наконец готовы, трепет, когда на экране моего компьютера появилось изображение — длинная тонкая световая капля с тремя яркими точками. : один в центре и два по бокам по краям.

То, что мы видели, было растущей Солнечной системой. Центральное пятно на самом деле было звездой, которая, как мы теперь знаем, вспыхивает, посылая в космос всплески высокоэнергетических частиц. Два других ярких пятна отмечают края диска обломков, вращающегося вокруг центральной звезды, подобно поясу Койпера, вращающемуся вокруг нашего Солнца. Мы думаем, что эта полоса — обломки, оставшиеся после того, как планеты образовались вокруг AU Mic, молодой карликовой звезды класса M, находящейся на расстоянии около 32 световых лет. Другие ученые недавно обнаружили в системе две планеты: одна с массой Юпитера, а другая с массой Сатурна, обе вращаются довольно близко к своей звезде. Теперь у нас есть беспрецедентная возможность увидеть, как материал диска эволюционировал и взаимодействовал с новообразованными планетами.

С момента появления этого раннего изображения возможности ALMA продолжали расширяться, и массив теперь имеет новые антенны, более высокое разрешение и больший охват длин волн. Между тем исследования околозвездных дисков и формирования планет резко расширились. ALMA сделала несколько сотен снимков младенцев планет, помогая нам по-новому взглянуть на то, как формируются такие системы, и обнаруживая сокровища планет, которые мы никогда бы не обнаружили иначе.

Детские планеты

Звезды формируются из обширных областей газа и пыли, называемых молекулярными облаками. Типичная плотность пустого пространства составляет всего один атом на кубический сантиметр, но самые толстые области молекулярных облаков могут достигать плотности в 10 000–1 миллион раз выше этой нормы. Когда эти пятна или «ядра» становятся достаточно плотными, они начинают коллапсировать под действием собственной гравитации, образуя звезды. В то же время начальное вращение коллапсирующего ядра и сохранение углового момента естественным образом формируют диск, окружающий только что родившуюся звезду. Астрономы называют эти скопления пыли и газа «околозвездными» (что означает «вокруг звезд») дисками.

Когда звезды еще очень молоды (всего несколько миллионов лет), их околозвездные диски относительно велики, часто их масса составляет от 1 до 10 процентов от массы центральной звезды в типичной системе. Для такой звезды, как Солнце, это равносильно диску, масса которого примерно в 100 раз превышает массу Юпитера. Эти молодые массивные летающие тарелки являются «протопланетными», потому что мы думаем, что именно здесь активно формируются планеты. Камень, металл и лед конденсируются из диска, образуя семена планет. По мере того, как семена начинают сталкиваться и слипаться, они становятся все больше и больше, пока не приобретут достаточную гравитацию, чтобы начать притягивать больше материала посредством процесса, известного как аккреция. Детские протопланеты вращаются внутри диска и продолжают накапливать материал, вырезая промежутки в диске в планетарной игре Pac-Man. Почти все звезды моложе нескольких миллионов лет окружены дисками, которые, скорее всего, содержат зоопарк новых планетных систем.

Фаза протопланетного диска длится несколько миллионов лет. После этого большая часть газа и пыли из начального околозвездного диска рассеялась. Как происходит это прояснение и в какие временные рамки ведется активное исследование, но мы думаем, что много пыли и газа в исходном диске либо мигрирует внутрь и падает на центральную звезду, либо выдувается сильным звездным ветром. Примерно через 10 миллионов лет все, что осталось, — это зрелая звезда, окруженная новой планетной системой и диском остатков астероидов и комет. Общая масса этого оставшегося материала невелика — вероятно, менее 10 процентов массы Земли. Хотя в этих «дисках обломков» все еще может быть достаточно массы для образования небольших земных планет или тел, подобных Плутону, вы можете думать о них как о палеонтологической летописи более раннего формирования планет. Их структура сформирована за счет гравитационных взаимодействий с новообразованными планетами, а их состав дает нам ключ к пониманию того, какой материал изначально был встроен в эти планеты.

Высоко в Чилийской пустыне Атакама обсерватория ALMA использует десятки антенн в тандеме для захвата изображений далеких планетарных систем. Фото: CLEM и Адри Бакри-Нормье (wingsforscience.com) и ESO

Астрономы впервые обнаружили диски мусора, когда в 1983 году был запущен инфракрасный астрономический спутник (IRAS). 100 микрон, человеческий волос примерно 75 микрон в поперечнике). Вы можете думать об инфракрасном излучении как о тепле. Когда IRAS просканировала небо в инфракрасном диапазоне, астрономы обнаружили, что многие звезды выглядят ярче, чем ожидалось. Почему? Предложенный ответ — пыль. Если бы эти звезды были окружены дисками пыли, пылинки нагревались бы звездой и затем излучали тепловое излучение в инфракрасном диапазоне. Из этого вывода родилась новая область исследований. Фактически, первые четыре диска обломков, обнаруженные IRAS — Вега, Бета Пикторис, Эпсилон Эридана и Фомальгаут — до сих пор изучаются и вызывают недоумение.

Используя инфракрасные телескопы для поиска таких ярких пятен, астрономы подтвердили, что по крайней мере от 20 до 25 процентов звезд окружены дисками обломков. Учитывая наше представление о том, как формируются планетные системы, можно логически заключить, что все звезды должны быть окружены остаточным материалом — в конце концов, статистика миссии «Кеплер» говорит нам, что у каждой звезды в галактике есть по крайней мере одна экзопланета, вращающаяся вокруг своей орбиты. На самом деле, мусорные диски, вероятно, более распространены, чем мы знаем. Даже в нашей Солнечной системе есть собственная система из нескольких дисков обломков — пояс астероидов и пояс Койпера. Тем не менее, Солнечная система на самом деле бедна пылью по сравнению с системами вокруг других звезд, которые мы фотографировали. Фактически, самые глубокие инфракрасные исследования на сегодняшний день смогли идентифицировать только диски с массой пыли примерно на порядок выше, чем мы наблюдаем в нашей Солнечной системе. Делает ли это наш космический дом странным? Мы еще не уверены. Мы изучали самые массивные, самые экстремальные диски, но, вероятно, можно найти гораздо больше дисков с малой массой, которые помогут нам поместить нашу планетарную систему в контекст.

Хотя астрономы начали делать выводы о наличии пылевых дисков на основании первых инфракрасных наблюдений в 1980-х годах, они не знали, как они выглядят. До того, как в 1990-х и 2000-х годах были усовершенствованы технологии телескопов, была решена только одна звездная система — Бета Живописца. Примечательно, что космический телескоп Хаббл использовал коронографическую визуализацию, метод, который астрономы используют для блокировки света от центральной звезды, чтобы увидеть более тусклые окружающие объекты, для изображения света, рассеянного мелкими пылинками в околозвездных дисках. Хотя многие из этих ранних изображений были нечеткими, они дали первое указание на то, что околозвездные диски на самом деле имеют протяженную и сложную структуру. В случае диска обломков вокруг Beta Pictoris первые изображения Хаббла показали искривление во внутренних областях диска, которое, по мнению астрономов, могло указывать на невидимую планету. Прямая визуализация позже подтвердила этот детский мир.

Новый телескоп

Длина волны света, который мы видим отраженным от пыли, примерно соответствует размеру пылинки — оптический и ближний инфракрасный свет исходит от мелких пылинок размером в десятки микрон, тогда как дальний инфракрасный и миллиметровый -волновая визуализация чувствительна к более крупным зернам, похожим по размеру на песок. Мы думаем, что эти более крупные зерна лучше всего отражают структуру, лежащую в основе околозвездных дисков. Внутри диска происходит непрерывный каскад столкновений. Большие кометы и астероиды сталкиваются друг с другом и превращаются в все более мелкие пылинки. Самые массивные объекты на диске называются планетезимали, а их расположение определяется взаимодействием с другими планетами в системе. Если мы сможем определить местонахождение планетезималей, эта информация может быть использована для вывода о наличии невидимых планет, даже если мы никогда не сможем наблюдать эти большие тела напрямую.

Мельчайшие пылинки легко перемещаются за счет взаимодействия с межзвездным газом или просто уносятся ветром и излучением самой звезды. Но поскольку подобные силы менее подвержены влиянию таких сил на более крупные пескообразные частицы, они дают нам наилучшую возможность раскрыть лежащую в их основе структуру диска и невидимые планеты благодаря их гравитационному влиянию.

Авторы и права: Найджел Хотин

Поэтому мы хотим изучить длинноволновую область, чтобы изучить структуру диска и найти признаки невидимых планет. Это кажется простым, но, конечно, есть одна загвоздка. Разрешение телескопа равно длине волны наблюдения, деленной на диаметр телескопа. Таким образом, по мере увеличения длины волны от оптического до миллиметрового диапазона приходится резко увеличивать размер телескопа для достижения той же разрешающей способности. Хаббл имеет диаметр 2,4 метра, что дает разрешение 0,13 угловой секунды для наблюдений на длине волны в один микрон. Если бы вы хотели добиться того же разрешения на длине волны в один миллиметр, вам пришлось бы увеличить диаметр телескопа в 1000 раз, до более чем двух километров! Мы не можем построить такой большой телескоп, поэтому нам приходится использовать технику, называемую интерферометрией. По сути, вместо одного двухкилометрового телескопа интерферометр распределяет несколько меньших телескопов на два километра и объединяет их сигналы для достижения столь же высокого разрешения.

ALMA, первые снимки которой были сделаны в 2011 году, до сих пор остается самым мощным интерферометром в мире. Расположенный на высоте примерно пяти километров в чилийской пустыне Атакама, ALMA имеет 66 антенн, которые можно перемещать на базовые линии (расстояние между любыми двумя антеннами) от 150 метров до 16 километров. Если вы знакомы с районом Вашингтона, округ Колумбия, представьте себе эллипс Белого дома: в самой компактной конфигурации ALMA полностью поместится в нем. В самой расширенной конфигурации он будет охватывать всю кольцевую дорогу столицы. Благодаря таким улучшениям как в чувствительности, так и в разрешении мы теперь можем отображать более слабые объекты с большей детализацией, чем когда-либо прежде. Не будет преувеличением сказать, что ALMA произвела революцию в нашем понимании околозвездных дисков.

На одном из своих первых снимков диска-блокбастера, сделанном в 2014 году, ALMA запечатлела HL Tau, молодую систему, возраст которой, вероятно, не превышает 100 000 лет. Фотография показала, что то, что считалось непрерывным диском, было вырезано на несколько колец и промежутков. Учитывая молодой возраст системы, если эти промежутки на самом деле созданы планетами-младенцами, формирование планет должно начаться раньше, чем предполагалось изначально. В 2018 году в рамках исследования DSHARP (Disk Substructures at High Angular Resolution Project) были изучены 20 протопланетных дисков с высоким разрешением и обнаружено, что каждый из них имеет кольца и промежутки, а некоторые даже демонстрируют спиральную структуру. По-видимому, такие особенности характерны не только для HL Tau, но и для молодых околозвездных дисков.

Обнаружение планет

Помимо изучения процесса формирования планет, изучение дисков также является хорошим способом обнаружения экзопланет, которые иначе мы бы не смогли найти.

Телескопические миссии, такие как Kepler и TESS (спутник для исследования транзитных экзопланет), а также многие наземные исследования уже обнаружили тысячи экзопланет. Тем не менее, большинство этих планет более массивны или находятся ближе к своей родительской звезде, чем планеты в нашей Солнечной системе. Однако эти типы планет не обязательно более распространены; их просто легче нам найти. Двумя лучшими методами обнаружения экзопланет являются метод транзита, который ищет периодическое затемнение звезд, когда планеты вращаются перед ними, и метод лучевой скорости, который отслеживает планеты, наблюдая за небольшим изменением скорости, которое они вызывают у своих родительских звезд. из-за их гравитационного притяжения. Оба метода отдают предпочтение крупным планетам с короткими орбитами, потому что для подтверждения обнаружения необходимо наблюдать за несколькими орбитами, а это означает, что астрономы, использующие эти методы, могут упустить много планет. Нептун, например, имеет период обращения примерно 165 лет: если бы вы изучали нашу солнечную систему с другой звезды, вы бы очень долго ждали, прежде чем увидели бы, как она хотя бы раз проходит мимо Солнца. Те немногие известные нам планеты, которые находятся на расстоянии, близком к Нептуну, от своей звезды-хозяина, были обнаружены с помощью прямой визуализации, в которой используется коронография — блокирование света от звезды-хозяина — для изображения самой планеты. Однако этот подход имеет свои собственные наблюдательные ошибки, отдавая предпочтение молодым системам, в которых планеты все еще сохраняют значительное количество тепла от своего образования.

Чтобы представить архитектуру Солнечной системы в контексте, мы должны иметь возможность обнаруживать планеты-гиганты на больших расстояниях от их родительских звезд в старых системах. Теперь, с ALMA, это можно сделать, используя разрешенную структуру околозвездных дисков, что является мощным дополнением к другим методам обнаружения экзопланет.

Мы можем найти планеты, подобные Нептуну, например, изучая особенности дисков, созданные планетами, вращающимися внутри них, такие как искривления, комки и другие асимметрии. В нашей Солнечной системе классический пояс Койпера довольно узок из-за гравитационного влияния Нептуна. Мы думаем, что во время ранней эволюции Солнечной системы Нептун первоначально формировался ближе к Солнцу, а затем мигрировал наружу, сметая большую часть остаточного материала на своем пути, чтобы создать пояс Койпера, наблюдаемый сегодня. Если мы наблюдаем подобные структуры во внесолнечных обломочных дисках, мы можем использовать их, чтобы сделать вывод о наличии невидимых аналогов Нептуна.

Мы также можем узнать больше о планетах, о которых мы уже знаем, изучая диски, которые они населяют. Система HR 8799 имеет четыре планеты-гиганта, полученные прямым изображением, вращающиеся вокруг аналогов нашего собственного пояса астероидов и пояса Койпера. С помощью миллиметровой интерферометрии мы можем решить структуру внешнего аналога пояса Койпера системы и определить положение его внутреннего края. Если мы предположим, что за формирование диска отвечает самая удаленная планета в системе, мы можем использовать положение внутреннего края, чтобы ограничить возможную массу планеты примерно шестью массами Юпитера. Это может показаться незначительным достижением, но оно намного точнее, чем наша предыдущая лучшая оценка массы планеты, основанная на теоретических моделях того, как планеты остывают и тускнеют со временем. Используя структуру диска, мы можем обеспечить важную независимую проверку этих моделей.

Наблюдения молодых протопланетных дисков с помощью ALMA показывают богатую детализированную структуру; кольца и промежутки, кажется, присутствуют почти в каждой системе. Если все эти промежутки вырезаны планетами, мы можем предположить, что существует большая популяция невидимых ледяных гигантов. Однако привязать структуру молодых систем непосредственно к планетам сложно, потому что другие эффекты усложняют усилия по моделированию. Старые, более развитые системы легче интерпретировать, но до сих пор очень немногие из этих дисков обломков демонстрируют многокольцевую структуру. Недавно мы обнаружили новую брешь в диске обломков HD 15115, расположенную за пределами орбиты Плутона в нашей системе. Динамическое моделирование предполагает, что этот разрыв представляет собой ледяную планету-гигант с массой немного меньшей, чем у Сатурна. Я подозреваю, что по мере того, как мы получаем глубокие изображения с высоким разрешением большего количества этих эволюционировавших систем, выявляется больше особенностей, вызванных планетами.

Кроме того, помимо структуры околозвездных дисков, мы также можем изучать их состав. Поскольку эти диски являются резервуарами и летописями окаменелостей формирования планет, их состав тесно связан с составом планет в этих системах и с историей их формирования. Многочисленные обычные молекулы излучают свет с длиной волны миллиметров из-за изгиба и растяжения их молекулярных связей. Ученые обнаружили десятки органических молекул (включая окись углерода, формальдегид, метанол и аммиак и многие другие) в больших газовых резервуарах, присутствующих в протопланетных дисках.

Наше исследование также раскрыло новую загадку: традиционно считалось, что диски обломков бедны газом, потому что их первоначальные газовые резервуары должны быть очищены в течение нескольких миллионов лет. ALMA обнаружил, что несколько дисков обломков содержат углекислый газ, но мы интерпретируем это как результат столкновения комет в диске и высвобождения захваченного льда в виде газа, когда они измельчаются в мелкие пылинки. Однако несколько систем оспаривают эту картину, потому что они содержат такое большое количество газа, что для его образования потребовалась бы нереально высокая скорость кометных столкновений. Это открытие вызывает вопрос: возможно ли, чтобы первичный газ оставался в этих дисках в течение десятков миллионов лет? Пока у нас нет ответа.

ДИСКИ ОБЛОМА, полученные ALMA, представляют собой более позднюю стадию эволюции, чем протопланетные диски, после того, как звезда и ее планеты сформировались. Их яркие полосы щебня сродни поясу Койпера в нашей Солнечной системе. Авторы и права: ALMA (ESO, NAOJ и NRAO)

Многоволновое будущее

Мне было интересно расти как ученому, в то время как вокруг меня росла область исследований формирования планет. Я начал работать над докторской диссертацией. как ALMA впервые открыла глаза на небо, и я начинаю свою первую должность преподавателя, поскольку мы движемся в захватывающее новое будущее многоволновой астрономии. ALMA произвел революцию в нашем понимании околозвездных дисков, обнаружив сложности в структуре и химическом составе, о которых можно было только догадываться несколько десятилетий назад. Но ALMA не может ответить на все вопросы, которые мы хотим исследовать. Все диски обломков, о которых я говорил в этой статье, являются аналогами пояса Койпера, холодными кольцами пыли во внешних областях их солнечных систем. До сих пор астрономы изо всех сил пытались изобразить аналог пояса астероидов — мы все еще можем обнаружить такие детали только благодаря их избыточному инфракрасному свету, как мы это делали в первые дни с IRAS.

Для изображения внутренних областей внесолнечных систем нам нужны более короткие волны, чувствительные к более горячей пыли. Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) должен быть запущен в 2021 году, и мы ожидаем, что он сделает первый снимок одного из этих аналогов пояса астероидов. Кроме того, JWST будет работать на длинах волн, которые непосредственно отслеживают излучение силикатов (таких минералов, как оливин и пироксен, которые также встречаются на Земле) и которые ограничивают минеральный состав зерен диска.

Заглядывая еще дальше в будущее, сейчас строится следующее поколение «чрезвычайно больших телескопов», и эти инструменты увидят свой первый свет в середине-конце 2020-х годов. Эти телескопы будут иметь диаметр более 24 метров, что более чем в пять раз больше, чем у любых нынешних наземных телескопов, и они, возможно, смогут непосредственно отображать некоторые из планет, о которых мы сейчас можем судить только по наблюдениям за дисками ALMA.

Десятилетний обзор астрономии и астрофизики — широкомасштабная попытка определить приоритеты для будущего финансирования — сейчас находится в стадии реализации. На рассмотрении находятся четыре флагманские миссии НАСА, которые могут добиться огромных успехов в планетарной науке в 2030-х годах и далее. Космический телескоп Origins, инфракрасная обсерватория с криогенным охлаждением, может проследить, как вода из областей звездообразования попадает в околозвездные диски, предоставить статистику по населению дисков с малой массой и многое другое. Другие кандидаты, такие как Большой Ультрафиолетовый/Оптический/Инфракрасный Исследователь и Обсерватория Обитаемых Экзопланет, представляют собой миссии прямого изображения, которые могут обнаружить и охарактеризовать многие экзопланеты, некоторые из которых могут быть похожи на Землю.

Независимо от того, какая из этих миссий будет выбрана в конечном итоге, одно я знаю точно: наше понимание Солнечной системы, ее формирования и ее места во вселенной экзопланетных систем меняется каждый день. Чувство бабочки в вашем животе, пока вы ждете, чтобы увидеть, как выглядит каждое новое наблюдение, никогда не исчезает.

Первоначально эта статья была опубликована под названием «Планета родилась» в журнале Scientific American 322, 6, 54–61 (июнь 2020 г. )

doi:10.1038/scientificamerican0620-54

БОЛЬШЕ, ЧТОБЫ УЗНАТЬ

Миллиметровая эмиссионная структура на первом изображении ALMA диска мусора AU Mic. Мередит А. МакГрегор и др. в Astrophysical Journal Letters, Vol. 762, № 2, статья № L21; 10 января 2013 г.

Кампания ALMA Long Baseline 2014: первые результаты наблюдений с высоким угловым разрешением в области HL Tau. Партнерство ALMA и др. в Astrophysical Journal Letters, Vol. 808, № 1, статья № Л3; 20 июля 2015 г.

ИЗ НАШИХ АРХИВОВ

Рожденный Хаосом. Константин Батыгин, Грегори Лафлин и Алессандро Морбиделли; Май 2016 г.

ОБ АВТОРАХ

    Мередит А. МакГрегор — доцент Колорадского университета в Боулдере, где она изучает формирование и потенциальную обитаемость планетарных систем. Она также является сопредседателем Руководящего совета НАСА по изучению инфракрасных исследований. Кредит: Ник Хиггинс

    Происхождение Солнечной системы

    Происхождение Солнечной системы

    Как образовались Солнце, планеты и луны в Солнечной системе? Существует удивительное количество споров и несколько сильных и конкурирующих теорий, но есть ли у ученых ответ?

    Какие существуют теории происхождения Солнечной системы?

    Любая теория о том, как возникла Солнечная система, должна учитывать определенные, довольно каверзные факты. Мы знаем, что Солнце находится в центре Солнечной системы, а планеты вращаются вокруг него, но это создает пять основных проблем:0003

    1. Солнце вращается медленно, и его угловой момент составляет всего 1 процент от углового момента Солнечной системы, но 99,9 процента его массы. Почему это?
    2. Планеты земной группы имеют твердое ядро ​​— как они образовались?
    3. А что насчет планет-гигантов, таких как Юпитер, они образовались по-другому?
    4. Как появились спутники планет, такие как Луна?
    5. Закон Боде гласит, что расстояния планет от Солнца подчиняются простой арифметической прогрессии. Почему это должно быть?

    Принимая во внимание все эти вопросы, наука предложила пять ключевых теорий, которые считаются «разумными» в том смысле, что они объясняют многие (но не все) явления, проявляемые Солнечной системой. Узнайте больше ниже.

    Теория аккреции

    Солнце проходит через плотное межзвездное облако и появляется в окружении пылевой газовой оболочки.

    Проблема заключается в том, чтобы заставить облако формировать планеты. Планеты земной группы могут сформироваться за разумное время, но для формирования газообразных планет требуется слишком много времени. Эта теория не объясняет спутники или закон Боде и поэтому считается самой слабой из описанных здесь.

    Когда будет следующее лунное затмение?

    Теория протопланет

    Плотное межзвездное облако порождает скопление звезд. Плотные области в облаке формируются и сливаются; поскольку маленькие капли имеют случайное вращение, результирующие звезды будут иметь низкую скорость вращения. Планеты представляют собой меньшие капли, захваченные звездой.

    Маленькие сгустки должны иметь большее вращение, чем наблюдаемое у планет Солнечной системы, но теория объясняет это тем, что «планетарные сгустки» разделены на планеты и спутники. Однако неясно, как планеты оказались ограниченными плоскостью или почему их вращение происходит в одном и том же направлении.

    Теория Захвата

    Солнце взаимодействует с ближайшей протозвездой, увлекая за собой материальную нить протозвезды. Низкая скорость вращения Солнца объясняется его образованием раньше планет, планеты земной группы объясняются столкновениями между протопланетами, близкими к Солнцу, а планеты-гиганты и их спутники объясняются сгущениями в вытянувшейся нити. .

    Что за яркий объект я видел в небе прошлой ночью?

    Современная теория Лапласа

    Французский астроном и математик Пьер-Симон Лаплас впервые предположил в 1796 году, что Солнце и планеты образовались во вращающейся туманности, которая остыла и схлопнулась. Теория утверждала, что эта туманность сконденсировалась в кольца, которые в итоге образовали планеты и центральную массу — Солнце. Медленное вращение Солнца не могло быть объяснено.

    Современная версия предполагает, что центральная конденсация содержит твердые пылинки, которые создают сопротивление в газе при конденсации центра. В конце концов, после замедления ядра его температура повышается, и пыль испаряется. Медленно вращающееся ядро ​​становится Солнцем. Планеты формируются из более быстро вращающегося облака.

    Современная небулярная теория

    Планеты берут начало в плотном диске, образованном из материала газопылевого облака, которое коллапсирует и дает нам Солнце. Плотность этого диска должна была быть достаточной для образования планет, и в то же время достаточно тонкой, чтобы остаточная материя могла быть снесена Солнцем по мере увеличения его выходной энергии.

    В 1992 году космический телескоп Хаббл получил первые изображения протопланетных дисков в туманности Ориона.