Проблема фундаментальна: даже телескоп размером с Землю не разглядит планету земного типа у ближайшей звезды. Звёздный свет полностью заглушает сигнал. До 1995 года существование экзопланет подтверждалось лишь теорией и логикой — Солнечная система не может быть уникальной. Телескоп Хаббл (Hubble), запущенный в 1990 году, видит галактики за миллиардами световых лет, а обсерватория Маунт-Вилсон с зеркалом 2,5 м работала с 1920-х, но планеты оставались невидимыми.
Метод радиальных скоростей
Это эффект доплеровского смещения: при приближении спектральные линии синеют (волны сжимаются), при удалении — краснеют. Точность ELODIE — 13 м/с — позволила уловить смещение на доли нанометра. Период и амплитуда указывали на объект массой 0,5 Юпитера на орбите в 20 раз ближе Меркурия к Солнцу. Температура превышает 1000 °C — «горячий Юпитер», противоречащий теориям формирования (гиганты рождаются за снеговой линией).
6 октября 1995 года объявили первую экзопланету у солнцеподобной звезды — 51 Пегаса b. Майор и Квельоз получили Нобелевскую премию по физике 2019 года. Метод (радиальные скорости, доплеровская спектроскопия) фиксирует гравитационное влияние планеты: звезда и планета вращаются вокруг общего центра масс внутри звезды, как метатель молота.
Метод эффективен для массивных планет на тесных орбитах: большая масса усиливает покачивание, короткий период упрощает наблюдения. Юпитер раскачивает Солнце на 12 м/с с периодом 12 лет, Земля — на 9 см/с. Современный ESPRESSO на Очень большом телескопе (VLT) в Чили достигает 10 см/с — предел для землеподобных миров. Масса планеты даётся как минимумальная (m sin i, где i — наклон орбиты). К 2025 году метод открыл свыше тысячи экзопланет: горячие Юпитеры вроде HD 209458 b (период 3,5 дня), WASP-12 b (26 часов), Tau Boötis b (испаряющаяся атмосфера). Они разрушили модель Солнечной системы: эксцентричные орбиты, обратное вращение, хаос.
Метод не даёт радиус планеты: суперземля может быть плотной каменной или газовым мини-Нептуном.
Транзитный метод
Глубина провала — отношение площадей дисков планеты и звезды, позволяет вычислить радиус. Транзит Юпитера по Солнцу дал бы 1%, Земли — 0,0084%. Вероятность мала: <1% для тесных орбит, 0,47% для земной. Решение — мониторинг тысяч звёзд: статистика сработает.
Атмосфера мешает наземным наблюдениям (турбулентность маскирует провалы). Космический телескоп Кеплер (Kepler), запущенный в марте 2009 года, непрерывно следил за 150 000 звёзд в Лебеде с точностью 20 ppm (как муха размером с Меркурий на Солнце).
Первые результаты Кеплера ошеломили астрономов.
Революционные открытия телескопа «Кеплер»
Система Kepler-11 включает шесть планет, упакованных плотнее орбиты Меркурия — все они уместятся внутри орбиты Венеры. Такая компактность ставит под вопрос стабильность системы. Kepler-16b — планета у двойной звезды, где два солнца на небе, подобно Татуину из «Звёздных войн». Учебники утверждали, что гравитационный хаос у двойных звёзд разрушает орбиты, но Kepler-16b опроверг это.
Суперземли: самый распространённый тип планет Главное открытие — суперземли: планеты в 2–10 раз массивнее Земли. В Солнечной системе между Землёй (1 масса Земли) и Нептуном (17 масс Земли) существует пробел, но во Вселенной суперземли доминируют. Каждая вторая звезда имеет хотя бы одну такую планету, делая нашу систему атипичной.
К 2017 году, когда ресурс «Кеплера» исчерпался, подтверждено 2778 экзопланет — от океанических миров до планет из чистого железа, с годами от 8 часов до тысяч земных лет.
Анализ атмосфер через транзитный метод
Белый свет, пропущенный через призму, распадается на радугу: красный — длинные волны, фиолетовый — короткие. Газы поглощают уникальные наборы: водород — 656, 486, 434, 410 нм; натрий — 589 нм; водяной пар — инфракрасные линии; метан — 3,3 и 7,7 мкм.
Край транзитного диска планеты окружён атмосферой — менее 1% диска. Современные спектографы фиксируют падение яркости в 1/100 000, как стакан воды из олимпийского бассейна. В спектре возникают тёмные линии поглощения, подобно штрих-коду.
Первые спектры экзопланетных атмосфер
В 2019 году в атмосфере K2-18b, планеты в зоне обитаемости (в 8 раз массивнее Земли), нашли водяной пар. Телескоп Джеймс Уэбб в 2023 году подтвердил его и, возможно, метилсульфид — соединение на Земле от морских водорослей и фитопланктона. Данные неоднозначны: сигнал слаб, возможны абиотические источники. Требуются подтверждения.
Вторичное затмение и плотность планет
Комбинация с методом радиальных скоростей даёт массу (от доплеровского сдвига), размер (от транзита), плотность (масса/объём) и состав:
WASP-96b: 0,48 г/см³ — пушистый газовый гигант. Kepler-10b: 8,8 г/см³ — железная планета плотнее Земли. LHS 1140b: вероятно, водный мир с глобальным океаном. Проблемы и подтверждения Транзит требует идеальной ориентации орбиты; один транзит может быть пятном, двойной звездой или астероидом. Нужно минимум три повторения с постоянным периодом. Долгие периоды (годы) «Кеплер» не всегда фиксировал.
Метод вариаций времени транзитов (TTV)
В 2011 году Kepler-19b транзитирует каждые 9,3 дня, но отклонения до 5 минут (1000 км). Анализ выявил невидимую Kepler-19c.
Прорыв в охоте за экзолунами: Kepler-46 В 2011 году команда Дэвида Киппинга (Гарвард-Смитсоновский центр астрофизики), Гашпара Бакаша (Принстон), Алана Шмита (Planet Hunters) и Дэвида Несворни (Юго-Западный исследовательский институт) применила TTV к KOI-872 (Kepler-46). Несворни использовал алгоритмы на теории возмущений Ли Хори — до 25-й степени.
Отклонения транзитов — до часа. Из 30 решений осталось два: гигант как Юпитер или ¼ массы Сатурна. Длительность транзитов стабильна (час), исключив большинство. 17-й транзит подтвердил второе: предсказание в 14:26 с точностью 12 с (против 5 мин ошибки первого). Вероятность ошибки <1%.
Первая полная характеристика невидимой планеты (масса ¼ Сатурна, орбита ~300 дней) только по гравитации.
TRAPPIST-1: массы через резонансы
Вариации времени транзитов: массы без лучевых скоростей Метод вариаций времени транзитов (TTV) позволил определить массы всех семи планет системы TRAPPIST-1 исключительно по отклонениям в их транзитных временах, без измерений лучевых скоростей. Полученные плотности раскрыли состав миров: внутренние планеты b и c — сухие каменные тела. Далее плотность снижается: планеты e, f и g содержат до 5% воды по массе, в сравнении с 0,2% на Земле.
TTV т