Виявивши кілька тисяч кандидатів в екзопланети, астрономи стали міркувати над тим, як їх варто групувати, щоб краще описати і зрозуміти. Різні схеми класифікації планети були запропоновані протягом багатьох років, починаючи від науково-фантастичних до суто наукових. Але ми дотепер мало знаємо про екзопланети і деякі науковці досі сперечаються, яким має бути визначення планети.

Що таке планета?

Перш ніж обговорювати, як класифікувати планети, дуже важливо зрозуміти, яке небесне тіло можна вважати планетою. Міжнародний астрономічний союз (МАС) запровадив у 2006 р. офіційне визначення поняття планета, але воно залишається спірним. Згідно з ним планетою треба вважати небесне тіло, що міститься на орбіті навколо Сонця, має достатню масу, щоб його форма була практично сферичною, а також очистило свою орбіту від інших, співмірних з ним, небесних тіл.

Визначення сформулювали після того, як астрономи, зокрема Майк Браун (Mike Brown) з Каліфорнійського технологічного інституту, виявили кілька маленьких світів на краю Сонячної системи. Ці тіла мають розміри приблизно як і Плутон, який тоді вважали планетою. Їх, зважаючи на запроваджене визначення поняття планета, а також і Плутон, згрупували в нове сімейство об’єктів під назвою «карликова планета».

Таке рішення не отримало загального схвалення серед астрономів. Алан Штерн (Alan Stern) — головний дослідник місії «Нові Горизонти» (New Horizons) до Плутона, яка досягла цілі в 2015 році, неодноразово стверджував: фраза «очистило окіл» є розпливчастою і не враховує той факт, що, наприклад, Земля має багато астероїдів в межах своєї орбіти. Крім того, знімки Плутона, отримані зондом New Horizons, показали дивно складний світ, де є гори, замерзлі озера й інші особливості — усе це дозволяє вважати Плутон небесним тілом, що схоже на планету.

МАС відповів на відкриття New Horizons так: «Ці результати піднімають фундаментальні питання про те, як маленька, холодна планета може залишатися тривалий час активною в Сонячній системі. Вони показують, що карликові планети можуть бути такими ж цікавими для науки, як і планети. Не менш важливим є те, що всі три основні тіла пояса Койпера, які відвідали космічні апарати дотепер — Плутон, Харон і Тритон — суттєво відрізняються від аналогічних, що свідчить про потенційну різноманітність, яка очікує на дослідження».

У 2017 р. група науковців, серед яких і Штерн, запропонувала нове визначення планети, яке вони планують подати в МАС: «Планета — тіло до зоряної маси, яке ніколи не зазнавало ядерного синтезу і яке має гравітацію, що надає йому сфероїдальну форму, яку можна адекватно описати трьохосним еліпсоїдом, незалежно від параметрів його орбіти».

Класифікація планет

Прагнення класифікувати планети зросло після того, коли екзопланети стали знаходити все частіше й частіше. Відкриття першої підтвердженої екзопланети (PSR B1257+12) відбулося в 1992 році — її виявили біля пульсара, тобто нейтронної зорі. Першу екзопланету біля зорі головної послідовності (51 Пегас b) було знайдено в 1995 році.

Враження художника про першу екзопланету, виявлену на орбіті сонцеподібної зорі, 51 Пегаса b — масивний газовий гігант, що обертається навколо зорі з періодом в 4 доби. Фото з сайту www.space.com.

Відтоді було виявлено тисячі кандидатів в екзопланет — більшість з них з допомогою космічного телескопа «Кеплер» (Kepler). Хоча місія «Кеплера» зосереджена на пошуку планет, що, як і Земля, мають орбіти в «зоні життя» (де може існувати рідка вода на поверхні планети) своїх зір, телескоп виявив велику різноманітність планет.

Багато екзопланет, виявлених першими, є так званими «гарячими юпітерами» — великими газовими гігантами, орбіти яких лежать дуже близько від їхніх материнських зір. Деякі з них дуже старі, такі як PSR 1620-26 b (її назвали Мафусаїл, окільки вона лише на 1 мільярд років молодша самого Всесвіту). Окремі екзопланети містяться так близько біля своєї материнської зорі, що їх атмосфера випаровується, наприклад, як у випадку HD 209458b. Крім того, екзопланети було виявлено на орбітах довкола кратних зір (двох, трьох і навіть більше).

Такий широкий діапазон екзопланет, мабуть, не дає змогу мати єдину систему класифікації для всіх планет. Здебільшого астрономи зосереджують свою увагу на тому, наскільки ці планети можуть бути придатними для життя, що, мабуть, найкраще продемонструвати з допомогою каталогу Habitable Exoplanets. Це список найперспективніших екзопланет для життя, визначених експертами з Лабораторії населених планет в університеті Пуерто-Ріко в Аресібо (The Planetary Habitability Laboratory (PHL) at the University of Puerto Rico at Arecibo).

Проблема полягає в тому, що «зона життя», зазвичай, визначається виключно орбітою та масою планети. Нинішні телескопи не такі чутливі, щоб спостерігати атмосфери, крім найбільших і найближчих екзопланет. Проте, майбутні обсерваторії зможуть прямо вивчати атмосфери цих об’єктів. Космічний телескоп Джеймса Вебба, який планують запустити в 2019 році, матиме змогу спостерігати атмосфери деяких екзопланет, хоча неясно, скільки інформації він буде отримувати про малі, тверді екзопланети, схожі на Землю.

Схеми класифікації Сонячної системи

Слово «планета» походить з грецької мови і означає «мандрівник», а це вказує на те, що планети, на відміну від нерухомих зір, «блукають» в небі Землі. Рухи планет були відомі всім давнім культурам, але люди знали тільки ті планети, які можна було бачити неозброєним оком: Меркурій, Венера, Марс, Юпітер і Сатурн. Відкриття Урана і Нептуна відбулися після того, як в астрономії стали використовувати телескопи, починаючи з 1600-х років.

В Сонячній системі астрономи зазвичай розрізняють «тверді» й «газові» планети. Планети з твердими поверхнями Меркурій, Венера, Земля і Марс. Вони мають невеликі атмосфери в порівнянні з їх розмірами і лежать ближче до Сонця, ніж «газові» планети.

Доволі давня теорія вказує — коли Сонце було молодим і планетна система тільки формувалася, його випромінювання винесло більшу частину газу в зовнішню ділянку Сонячної системи, позбавивши тверді планети шансу мати потужні атмосфери. Однак екзопланетні системи мають великі газоподібні екзопланети, що лежать близько до їхніх материнських зір. Можливо, ці екзопланети мігрували, або, можливо, теорія формування планетних систем потребує суттєвої корекції.

Газові планети в Сонячній системі — Юпітер, Сатурн, Уран і Нептун, хоча між ними існують величезні відмінності. Ядро в Урана і Нептуна тверде (як вказує теорія), але ці планети мають дуже великі атмосфери, як порівняти з їх ядрами. Натомість природа ядер Юпітера і Сатурна досі є загадкою, хоча існують передбачення, що через значно більший розмір цих планет, порівняно з Ураном і Нептуном, їхні ядра можуть бути металево-рідкими або, можливо, повністю твердими. Потрібні додаткові дослідження.

Принаймні одна класифікаційна схема розрізняє планети в Сонячній системі зважаючи на їх положення відносно Землі. За цією схемою, «нижчі» планети (ті, що містяться всередині орбіти Землі) — Меркурій та Венера. «Верхні» планети (ті, що лежать за межами орбіти Землі) — це Марс, Юпітер, Сатурн, Уран і Нептун.

Іноді планети в Сонячній системі класифікують за їх положенням відносно поясу астероїдів, який лежить приблизно між Марсом і Юпітером. За цим сценарієм «внутрішні» планети — Меркурій, Венера, Земля та Марс. «Зовнішні» планети — Юпітер, Сатурн, Уран і Нептун.

Схеми класифікації екзопланет

Можливо, найвідоміша спроба класифікації екзопланет — та, яку використовують дійові особи фільму «Star Trek». Населену планету, схожу в цьому сенсі на Землю, називають планетою М-класу. Члени екіпажу часто говорять, що вони рухаються навколо планети М-класу, або про це відмічено у вахтовому журналі.

Сайт Memory Alpha фанів серіалу Star Trek подає перелік таких класів планет:

клас D (планетоїди або супутники, де практично відсутня атмосфера);

клас Н (зазвичай, непридатні для проживання);

клас J (газові гіганти);

клас К (придатні для життя з використанням спеціальних приміщень)

клас L (населені рослинністю, але без тваринного життя);

клас М (землеподібні);

клас N (сірчані);

клас R (планета-мандрівник, не придатна для життя земного типу);

клас Т (газовий гігант);

клас Y (токсичний атмосфера, високі температури).

Лабораторія населених планет хоча і подає кілька «невиразних» прикладів класифікації, але більшість — наукові. Такі підходи передбачають, що класифікація екзопланет має зважати на їх маси (Штерн і Левісон, 2002) або на значення кількості елементів, важливіших для життя (Лайневайвер і Роблес, 2006). Штерн і Левісон також стверджують, згідно з PHL, що «будь-яка класифікація мусить бути фізично обґрунтованою, спиратися на характеристики, які можна легко визначити (кількісні, унікальні, надійні для нових відкриттів), а також має базуватися на найменшій, з можливих, кількості критеріїв».

PHL також запропонувала схему класифікації, в основі якої є маса — параметр, який можна нині визначити з допомогою телескопічних спостережень. Масу можна оцінити на основі вимірювань радіальної швидкості, отриманих з допомогою інструментів, таких як спектрограф HARPS (High Accuracy Radial Speed Searcher Planet Searcher) на 3,6-метровому телескопі в Ла Сілья (Чилі, Європейська південна обсерваторія). Простіше кажучи, цей метод дозволяє вимірювати те зусилля, з яким планета діє на свою материнську зорю, коли вона обертається навколо неї. Знаючи його, можна оцінити масу екзопланети.

Запропонована Лабораторією населених планет класифікація має такий вигляд:

Малі планети, супутники та комети

Менше 0,00001 маси Землі — астероїди

Від 0,00001 до 0,1 маси Землі — меркуріанці

Землеподібні планети (твердий склад)

0,1—0,5 маси Землі — субземлі

0,5—2 маси Землі — землі

2—10 маси Землі — суперземлі

Газові планети-гіганти

10—50 мас Землі — нептуніани

50—5000 мас Землі — юпітери.

 

Додаткові ресурси

Міжнародний астрономічний союз. Плутон і Сонячна система (IAU: Pluto and the Solar System)

Лабораторія населених планет. Класифікація екзопланет по масі (PHL: Exoplanet Mass Classification (EMC))

За інф. з сайту www.space.com