Анализ экзопланет в обитаемой зоне

1.7 Планетные системы

Планетная система -- это система звезды и различных астрономических объектов, которые вращаются вокруг общего центра масс. Несколько гравитационно связанных звёзд с замкнутыми орбитами и их планетные системы образуют звёздную систему. Наша планетная система, в которую входит Земля, вместе с Солнцем образует Солнечную систему.

В основном считается, что планетные системы вокруг звёзд типа Солнца сформировались в ходе того же процесса, который привёл к образованию звёзд. Первоначальные теории основывались на предположении, что другая звезда, проходя крайне близко к планетообразующей звезде, вытягивала вещество, которое сливалось и образовывало планеты. В настоящее время известно, что вероятность такого сближения или столкновения слишком мала. Общепринятые современные теории доказывают, что планетные системы образуются из газопылевого облака, которое окружало звезду. Под действием сил притяжения происходит конденсация отдельных участков облака. Ввиду анизотропии (различие свойств среды в различных направлениях внутри этой среды) газопылевого облака по плотности, составу и другим физическим свойствам, конденсация происходит в отдельных местах облака, характеризующихся наибольшей плотностью. По состоянию на начало 2015 года открыто 1194 планетных систем, [4].

Согласно ряду космогонических теорий, в значительной части внесолнечных планетных систем экзопланеты также делятся на внутренние твердотельные планеты и внешние, подобные нашим планетам-гигантам. Некоторые планетные системы радикально отличаются от Солнечной системы. Планетные системы у пульсаров были выявлены по слабым колебаниям периода пульсации электромагнитного излучения. Пульсары образуются при взрыве сверхновых, а обычная планетная система не смогла бы перенести такой взрыв - либо планеты испарились бы, либо внезапная потеря большей части массы родительской звезды позволила бы им покинуть область притяжения звезды. Одна теория гласит, что существующие спутники звезды практически целиком испарились при взрыве сверхновой, оставив только планетоподобные тела. Или же планеты могут каким-то неизвестным образом формироваться в аккреционном диске, окружающем пульсар.

К примеру, планеты у пульсара PSR 1257+12 сравнимы по плотности с Землёй. Но появление жизни на них крайне маловероятно ввиду сильного радиационного излучения пульсара.

Кроме того, существует ряд проблем при наблюдениях многопланетных систем, а также возможна наблюдательная селекция.

Первая проблема состоит в том, если пользоваться методами прямых изображений или астрометрическим методом, то маленькая амплитуда сигнала от наиболее удаленной планеты в системе замывается сигналом от планеты, которая расположена ближе к звезде. Обнаружить дополнительные планеты проще в системах, где дальняя планета в несколько раз массивнее Юпитера. Однако, массивные планеты мало распространены.

Вторая проблема существует для систем с маленькими орбитальными отношениями периода. Динамические взаимодействия между планетами существенно усложняют анализ. Если для обнаружения одной планеты достаточно наблюдать ее в течение одного орбитального периода, то для нахождения дополнительных планет у той же звезды нужны более долгосрочные наблюдения.

Долгие обзоры с высокой точностью измерения лучевых скоростей проводятся на Ликской обсерватории в рамках 15-летней программы поиска планет. Согласно этому обзору, половина звезд с известными планетами, имеют больше, чем одну планету. Учитывая возникающие трудности, которые весьма затрудняют обнаружение многопланетных систем и высокую долю данных систем в длительных программах поиска планет, кажется весьма вероятным, что у большинства звезд формируются именно планетные системы, а не отдельные изолированные планеты.

В системах с большим числом планет распределение планет по расстояниям от звезды не похоже на то, что имеется в Солнечной системе. Больше всего планет находятся на малых расстояниях от звезды. Причём это расстояние меньше, чем расстояние Меркурия от Солнца. Соответственно этому, иное и распределение по орбитальным периодам. Больше всего экзопланет имеют орбитальный период около 10^d. Но, тем не менее, есть одна общая черта у всех планетных систем, включаю Солнечную систему: орбиты всех планет в одной системе лежат почти в одной плоскости. Это свидетельствует о том, что процесс формирования всех планетных систем проходит через общую стадию протопланетного диска.

2. Поиск экзопланет пригодных для жизни

Распределение химических элементов внутри Галактики неоднородно, оно отражает эволюцию Галактики. Область в Галактике, где химический состав межзвездного вещества и атмосфер звезд подобен солнечному, называется галактической обитаемой зоной. Именно в этой зоне могут образовываться планеты, подобные по своему составу Земле.

Положение галактической обитаемой зоны можно рассчитать теоретически. Для этого рассчитывают сетку эволюционных моделей Галактики. Результаты расчетов можно сравнить с наблюдениями. Необходимо определить химический состав большого количества звезд карликов поздних спектральных классов, у которых химический состав атмосфер не искажен термоядерными реакциями. Это весьма большая и сложная работа. Точными спектроскопическими методами определен детальный химический состав едва ли сотни холодных карликов в околосолнечных окрестностях. Для этого необходимо получить спектры высокого разрешения, рассчитать модели атмосфер звезд и применить метод теоретических кривых роста.

Для звезд на больших расстояниях от Солнца используют фотометрические методы. Применение данных методов для оценки содержания тяжелых элементов в атмосферах звезд основано на том, что показатели цвета зависят не только от температуры, но и от химического состава, хотя гораздо слабее. Применяя фотометрические методы, нельзя определить содержание разных химических элементов отдельно друг от друга, но можно сразу вычислить металличность, Ме, - отношение содержания всех элементов, тяжелее гелия на звезде и на Солнце. Математическое определение металличности выражается формулой:

(2.1)

Для звезд околосолнечной окрестности металличность близка к нулю. Для молодых звезд диска Галактики Ме > 0. Для старых звезд с дефицитом содержания тяжелых элементов Ме < 0. Для самых старых звезд гало Галактики Ме ? -3.

Проведённый анализ показывает, что в Галактике обитаемая зона кольцом проходит по диску Галактики на расстоянии 8 кпс от центра Галактики. В этом кольце, конечно же, находится и Солнце. По расчетам, в галактической обитаемой зоне землеподобных планет формируется на 30% больше, нежели в других областях Галактики.

2.1 Критерии для выбора звёзд, похожих на Солнце

Можно выделить три категории звезд подобных Солнцу, которые отражают эволюцию астрономических наблюдательных технологий

1. Звезда солнечного типа,

2. Звезда-аналог Солнца,

3. Двойники Солнца.

Рассмотрим каждую из групп подробнее.

1) Звезды солнечного типа.

Эти звёзды в широком смысле похожи на Солнце. Выделяются фотометрическими методами. Лежат на Главной Последовательности, их показатель цвета B-V (разность звёздных величин, измеренных в двух диапазонах спектра) находится между 0.48 и 0.8. У Солнца он составляет 0.65. По показателям цвета оценивают эффективную температуру, металличность, Me, и логарифм ускорения свободного падения, lgg, звезд.

Таким образом, в эту категорию может попасть примерно 10% всех звёзд. Тем самым можно установить верхнюю границу количества звёзд, которые более или менее похожи на Солнце.

Звёзды солнечного типа показывают весьма неплохую корреляцию между скоростью их вращения и активностью хромосферы (это можно определить по спектральной линии кальция), а также корональной активности (определяется по рентгеновскому излучению). Кроме того, по скорости вращения и магнитной активности (которая проявляется в течение всей жизни звезды) можно оценить и их возраст.

В таблице 2.1 отображены звёзды солнечного типа, находящиеся на расстоянии в пределах 15 парсек. За основу взяты измерения Мамачек (Mamajek) и Хиллебрандт (Hillenbrand) в 2008, [20].

Таблица 2.1 - Близкие звёзды солнечного типа

Название	Координаты	Расстоя-ние (пс)	Спектраль-ный класс	Темп-ра (K)	Метал- личность (%)
	Прямое восхождение	Склонение
Тау Кита	01ч 44м 04,1с	?15° 56? 15?	3.65	G8V	5,344	30
40 Эридана A	04ч 15м 16,3с	?07° 39? 10?	5.06	K1V	5,126	48
Дельта Павлина	20ч 08м 43,6с	?66° 10? 55?	6.10	G8IV	5,604	240
HR 7722	20ч 15м 17,4с	?27° 01? 59?	8.83	K0V	5,166	91
Глизе 86 A	02ч 10м 25,9с	?50° 49? 25?	10.79	K1V	5,163	57
54 Рыб	00ч 39м 21,8с	+21° 15? 02?	11.07	K0V	5,129	154
HD 14412	02ч 18м 58,5с	?25° 56? 45?	12.66	G5V	5,432	34
HD 172051	18ч 38м 53,4с	?21° 03? 07?	13.09	G5V	5,610	47
72 Геркулеса	17ч 20м 39,6с	+32° 28? 04?	14.38	G0V	5,662	42
HD 196761	20ч 40м 11,8с	?23° 46? 26?	14.38	G8V	5,415	49
Ню2 Волка	15ч 21м 48,1с	?48° 19? 03?	14.56	G4V	5,664	46

2) Звезда - аналог Солнца.

Эти звезды с точки зрения фотометрии подобны Солнцу. В проекте SETI с этой целью отбирались звёзды, отвечающие следующим условиям:

a. возраст звезды не меньше 3 млрд. лет;

b. звезда лежит на Главной Последовательности;

c. отсутствие переменности;

d. возможность существования землеподобных планет;

e. динамически стабильная обитаемая зона возле звезды.

В таблице 2.2. приведён список звёзд, которые удалены от Солнца не более чем на 15,5 парсек и отвечают требуемым критериям.

Таблица 2.2 - Близкие звёзды-аналоги Солнца

Название	Координаты	Расстоя-ние (пс)	Спектраль-ный класс	Темп-ра (K)	Металличность (%)
	Прямое восхождение	Склонение
Альфа Центавра A	14ч39м36с	?60°50'02"	1.37	G2V	5750	130-230
Альфа Центавра B	14ч39м35с	?60°50'13"	1.37	K1V	5250	130-230
Сигма Дракона	19ч 32м 21с	+69° 39? 40?	5.73	K0V	5299	56-59
Эта Кассиопеи A	00ч 49м 06с	+57° 48? 54?	5.95	G0 V/K7 V	6087	?0.031
82 Эридана	03ч 19м 55с	-43° 04? 11?	6.04	G8V	5401	-0,40
107 Рыб	01ч 42м 29с	+20° 16? 06?	7.48	K1V	5200	?0,04
Мю Кассиопеи A	01ч 08м 16с	+54° 55? 13?	7.54	G5VIp/M5V	5290	13-28
61 Девы	13ч 18м 24с	-18° 18? 41?	8.52	G5--6V	5604	93-95
Дзета Тукана	00ч 20м 04с	-64° 52? 29?	8.58	F9 V	6200	44-79
Хи 1 Ориона	05ч 54м 23с	+20° 16? 34?	8.80	G0 V	5940	89-178
Бета Волос Вероники	13ч 11м 52с	+27° 52? 41?	9.20	G0 V	6000	146
HR 4523 A	11ч 46м 31с	-40° 30? 01?	9.23	G5 V / M V	5643	-0,28
61 Большой Медведицы	11ч 41м 03с	+34° 12? 05?	9.54	G8V	5270	+0.03
HR 4458 А	11ч 34м 29с	-32° 49? 52?	9.54	K0 V / M V	5400	-0,26
HR 511	01ч 47м 44с	+63° 51? 09?	9.96	K0V	5420	95.5
Альфа Столовой Горы	06ч 10м 14с	-74° 45? 10?	10.15	G7 V	5560	102
Йота Персея	03ч 09м 04с	+49° 36? 47?	10.55	G0 V	5945	108
55 Рака	08ч 52м 35с	+28° 19? 51?	12.54	G8V/	5196	186
HD 69830	08ч 18м 23с	-12° 37? 55?	12.57	G8V	5385	89
HD 10307	01ч 41м 47с	+42° 36? 48?	12.63	G1,5 V/M V	5874	96
HD 147513	16ч 24м 01с	?39° 11? 34?	12.86	G5V	5700	?0,03
58 Эридана	04ч 47м 36с	-16° 56? 04?	13.31	G1.5VH-05	5830	97
HD 211415 А	22ч 18м 15с	-53° 37? 37?	13.61	G0 V	5925	49-54
47 Большой Медведицы	10ч 59м 27с	+40° 25? 48?	14.07	G0-1 V	5887	83--102
51 Пегаса	22ч 57м 28с	+20° 46? 08?	15.36	G2.5IVa	5665	160

Требование того, что звезда должна находиться на Главной Последовательности сразу же накладывает ограничение на верхнюю границу массы звезды, которая равна 1.5 солнечным массам. Данное значение соответствует карликам спектрального типа F5V. Светимость таких звезд составляет 8.55 светимостей Солнца.

Отсутствие переменности означает, что светимость не может меняться более чем на 1%.

Для возможности существования землеподобных планет требуется металличность не меньше солнечной.

Для динамической стабильности обитаемой зоны необходимо отсутствие больших эксцентриситетов орбит планет вблизи обитаемой зоны. Кроме того, планеты в кратных звёздных системах с тремя и более звёздами не могут иметь стабильные орбиты в течение долгого времени. Стабильные орбиты в обитаемой зоне могут быть только у одиночной звезды или у далеких компонент двойных звёзд.

3) Двойники Солнца

Эти звёзды ещё более похожи на Солнце, отвечают ещё более строгим критериям:

a. температура звезды не должна отличаться от температуры Солнца более чем на 50 градусов (то есть лежать в пределах от 5720 до 5830K);

b. металличность составляет 89-112 % от солнечной, причём подразумевается, что в протопланетном диске было столько же пыли, пригодной для формирования планет;

c. отсутствует какой-либо компаньон;

d. возраст отличается от возраста Солнца не более чем на 1 млрд. лет (то есть в пределах от 3,5 до 5,6 млрд. лет)

Под эти критерии подходят звёзды, представленные в таблице 2.3. Солнце добавлено для сравнения.

Самым точным двойником Солнца на 2007 год являлась звезда HD 101364, которая находится в созвездии Дракона. Её масса составляет 0,994±0,004 M_?, радиус - 1,14 R_?, светимость - 1,35 L_?, температура - 5747,9K. Находится на расстоянии 64±3 парсека.

Таблица 2.3 - Звёзды-двойники Солнца

Название	Координаты	Расстояние (пс)	Спектральный класс	Темпра(K)	Металличность (%)	Возраст (млрд. лет)
	Прямое восхождение	Склонение
Солнце	--	--	0,00	G2V	5778	100	4,6
Бета Гончих Псов	12ч 33м 45с	+41° 21? 26?	8.40	G0V	6.045	70	5,3
18 Скорпиона	16ч 15м 37с	-08° 22? 06?	13.83	G2Va	5835	102,5	3,4
37 Близнецов	06ч 55м 19с	+25° 22? 32?	17.26	G0V	6024	66	5,5
HD 44594	06ч 20м 06с	-48° 44? 28?	25.57	G4V	5680	155	4,6
HD 138573	15ч 32м 44с	+10° 58? 06?	30.97	G5IV-V	5710	93,3	7,8
HD 142093	15ч 52м 01с	+15° 14? 09?	21.46	G2V	5841	98	5,0
HD 195034	20ч 28м 12с	+22° 07? 44?	36.79	G2V	5720	91	4,6
HD 98618	11ч 21м 30с	+58° 29? 04?	30.97	G5V	5851	101	4,7
HD 143436	16ч 00м 19с	+00° 08? 13?	43.23	G0	5768	100	3,8
HD 129357	14ч 41м 22с	+29° 03? 32?	47.22	G2V	5749	99	8,2
HD 133600	15ч 05м 13с	+06° 17? 24?	52.43	G0	5808	101	6,3
HD 101364	11ч 40м 29с	+69° 00? 31?	66.53	G5V	5783	100,5	4,7

2.2 Классическая обитаемая зона

Классическая обитаемая зона - это диапазон расстояний от звезды, где вода на поверхности планет земного типа будет в жидкой фазе.

Судя по земной жизни, наличие воды - важнейшее условие для существования жизни после источника энергии. Но не исключено, что этот вывод является следствием ограниченности наших знаний. Если будет открыта жизнь, не требующая воды (например, на основе жидкого аммиака), то это сильно изменит представления о зоне обитаемости, следовательно, жизнепригодным окажется намного больший объём пространства. Появится понятие зоны обитаемости для каждого типа жизни. Зона, пригодная для водно-углеродной жизни (аналогичной земной), будет лишь частным случаем.

Отмечают два фактора стабильности зоны обитаемости:

1. Её границы не должны сильно изменяться со временем.

Конечно, светимость всех звезд постепенно возрастает, и зона обитаемости от звезды отодвигается. Но если это происходит слишком быстро (как, к примеру, в случае сверхмассивных звёзд), то планеты будут находиться внутри обитаемой зоны недолго, и шанс возникновения на них жизни категорически мал.

2. Отсутствие вблизи зоны обитаемости сверхмассивных тел, таких как планеты-гиганты, чье гравитационное воздействие могло бы препятствовать образованию землеподобных планет.

Например, пояс астероидов показывает, что рядом с Юпитером отдельные тела не смогли соединиться в планету из-за его резонансного действия. Если бы появилась планета, подобная Юпитеру, между Венерой и Марсом, то Земля почти наверняка не смогла бы приобрести свой нынешний вид. Однако газовый гигант в обитаемой зоне при стечении благоприятных условий мог бы иметь обитаемые спутники, [21].

В Солнечной системе планеты земной группы расположены внутри, а газовые гиганты - снаружи. Но результаты исследований экзопланет показывают, что эта схема не является универсальной. Довольно часто гигантские планеты находятся близко к звезде, разрушая потенциальную зону обитаемости. Однако в списке известных экзопланет таких случаев много только потому, что их намного легче обнаруживать. Поэтому пока что неизвестно, какой тип планетных систем преобладает.

Со временем светимость изменяется практически у всех звёзд. НО амплитуда переменности у разных звёзд сильно отличается. Звёзды в середине Главной Последовательности относительно стабильны, в то время как большинство красных карликов внезапно и интенсивно вспыхивают. Планеты около таких звёзд малопригодны для жизни, так как сильные и резкие изменения температуры весьма неблагоприятны. Кроме того, увеличение светимости сопровождается увеличением потока рентгеновского и гамма-излучения, которое тоже вредно для живых организмов. Атмосфера смягчает такое воздействие. Например, двукратное увеличение светимости звезды не обязательно приведёт к двукратному увеличению температуры на планете. Но под действием излучения подобной звезды атмосфера может попросту улетучиться.

В случае же Солнца переменность незначительна. Его светимость на протяжении 11-летнего солнечного цикла меняется всего на 0,1%. Однако есть сильные признаки того, что даже небольшие колебания светимости Солнца могут значительно влиять на климат Земли даже на протяжении исторического времени. Например, Малый ледниковый период в середине II тысячелетия н. э. (данный период является наиболее холодным по среднегодовым температурам за последние 2 тысячи лет) мог быть следствием относительно длительного понижения светимости Солнца, [22]. Таким образом, звезда должна быть не настолько переменной, чтобы изменения её светимости могли оказывать влияние на возможную жизнь.

Любая звезда, находящаяся на Главной Последовательности, состоит в основном из водорода и гелия. Содержание других химических элементов может сильно варьировать. Чем больше металлов в протозвезде, тем больше их и в её протопланетном диске. Как было сказано в начале работы, в бедном металлами диске появление планет затруднено. Они, почти наверняка, будут маломассивными и неблагоприятными для жизни.

Спектроскопические исследования систем, где были найдены экзопланеты, подтверждают взаимосвязь между высокой концентрацией металлов в звёздах и образованием планет: «звёзды с планетами (по крайней мере, подобными известным сегодня) явно богаче металлами, чем звёзды, не имеющие планет», [23]. Из необходимости высокой металличности следует необходимость относительной молодости звезды. Звёзды, которые возникли в начале истории Вселенной, бедны металлами и имеют меньше шансов на формирование вокруг них планет, нежели более молодые звёзды.

2.3 Границы обитаемой зоны

Обитаемая зона в планетной системе имеет внутреннюю и внешнюю границы, которые были установлены исходя из требования наличия на находящихся в ней планетах воды в жидком состоянии, поскольку она является необходимым растворителем во многих биомеханических реакциях.

За внешней границей обитаемой зоны планета не получает достаточно солнечной радиации, чтобы компенсировать потери на излучение. Поэтому её температура опускается ниже точки замерзания воды. Планета, расположенная ближе к светилу, чем внутренняя граница обитаемой зоны, будет чрезмерно нагреваться внешним излучением, в результате чего вода испарится.

Расчет положения границ зоны обитаемости и их смещения со временем довольно сложен (в частности, из-за отрицательных обратных связей в CNO-цикле, способных сделать звезду более стабильной). Даже для Солнечной системы оценки границ обитаемой зоны варьируют в широких пределах. Кроме того, возможность существования на планете жидкой воды сильно зависит и от физических параметров самой планеты, [24].

Формулы для расстояний до внутренней и внешней границ обитаемой зоны можно получить из уравнений теплового баланса для планет, которые находились бы на этих расстояниях. Запишем уравнение теплового баланса математически в дифференциальной форме, то есть для единичной площади поверхности планеты, когда звезда находится в зените.

Равновесный поток энергии излучения тела:

(2.1)

Энергия, излучаемая звездой, которую поглощает планета:

(2.2)

где E - освещенность, А - альбедо планеты.

Тогда уравнение теплового баланса в дифференциальной форме имеет вид:

(2.3)

Освещённость, по определению, - это количество энергии, падающей на единицу площади за 1 секунду. Её можно выразить через температуру звезды и расстояние между звездой и планетой:

(2.4)

где r - расстояние между звездой и планетой. Найдем это расстояние из уравнения теплового баланса:

(2.5)

Чтобы рассчитать границы обитаемой зоны в эту формулу надо подставить радиус и эффективную температуру звезды, предполагаемое альбедо экзопланеты и требуемую температуру на границах зоны обитания.

Также можно рассчитать границы иначе, используя освещенность, создаваемую звездой на каждой границе, [25]. Эта освещенность в основном зависит от светимости, L, но в какой-то степени и от эффективной температуры, Т_е, звезды. Чем ниже температура, тем больше инфракрасная часть излучения. Чем больше инфракрасное излучение, тем больше тепловой эффект на планете. Обозначим критическую освещенность на внутренней границе обитаемой зоны S_bri(Т_е), тогда имеем уравнение для нее в единицах солнечной постоянной:



(2.6)

и уравнение для критической освещенности на внешней границе обитаемой зоны:

(2.7)

где Т_е в градусах Кельвина. Тогда расстояния от звезды до границ обитаемой зоны, в а.е.:

(2.8)

(2.9)

где L - светимость звезды в солнечных единицах и S_bri(T_e) и S_bro(T_e) в единицах солнечной постоянной.

Светимость, L, и эффективная температура, Т_e, находятся из наблюдений звезд. Получим уравнение для светимости, L, в солнечных единицах. Видимая и абсолютная звёздные величины связаны формулой:

(2.10)

где r - расстояние до звезды в парсеках, m_v - видимая звёздная величина, M_v - абсолютная звёздная величина. Болометрическую звёздную величину можно найти из формул:

(2.11)

(2.12)

где M_bol- болометрическая звёздная величина, ВС - болометрическая поправка. Выразим, подставим, получим:

(2.13)

(2.14)

(2.15)

(2.16)

Избавимся от десятичного логарифма, получим выражение для светимости, в солнечных единицах:

(2.17)

Теоретические расчеты показали, что климат планет вблизи внешней границы зоны обитаемости может быть неустойчивым. Он будет колебаться между длительными холодными и редкими тёплыми периодами. В итоге, вероятно, высокоразвитая жизнь на таких планетах возникнуть не сможет. Это может наложить существенные ограничения на размеры зон обитаемости в сторону их уменьшения.

Как же зависят границы обитаемой зоны от физических характеристик звезды? Чтобы найти границы классической обитаемой зоны, необходимо знать светимость звезды и ее эффективную температуру. Эффективную температуру, Т_е, можно определить, изучив спектр или показатели цвета звезды с помощью шкалы эффективных звёздных температур. Чтобы получить светимость, L, требуются расстояние до звезды, d, видимая звездная величина, V, и болометрическая поправка, BC. Поправка зависит от спектрального класса и класса светимости.

Какова точность вычисления светимости, L, и эффективной температуры, Т_е, на основе наблюдательных данных? При расчете L по уравнению (2.17) преобладающая неопределенность заключена в расстоянии до звезды, d. Многие из этих расстояний приходят из наблюдений со спутника «Гиппарх», где измеряемый параллакс имеет среднюю стандартную ошибку 0.97x10^-3 угловой секунды, [26], [27] . Для расстояния в 100 парсек это ±10%. Из уравнений (2.10) - (2.17) видно, что это приводит к ±10% неопределенности в расстоянии между звездой и планетой, r. Значения эффективной температуры, Т_е, имеют меньшую неопределенность. Кроме того, бывает, что критическая освещённость, S_b, слабо зависит от Т_е (формулы (2.6-2.7)). Например, для наших критериев границ обитаемой зоны, при Т_е=5700K, изменение Т_е на 300K изменяет S_b на каждой границе только на 5%. Помимо этого, расстояние, r, вычисляется как квадратный корень из L и S_b (уравнения (2.8-2.9)). Таким образом, чувствительность к светимости, L, и критической освещённости, S_b, уменьшается примерно вдвое. Неопределенности в L значительны, но не серьезны.

Также по возрасту звезды можно оценить, успеет ли возникнуть жизнь на планетах земных масс, которые могут присутствовать. Непосредственно возраст звезды можно определить посредством спектрального анализа.

2.4 Эффективный радиус земной орбиты

Выведем формулу, по которой можно рассчитать расстояние от звезды, на котором энергия излучения звезды, попадающая на планету, равна энергии излучения Солнца, падающей на Землю. С учетом отражательной способности планеты (альбедо), ее освещенность, когда звезда в зените, можно вычислить по формуле:

(2.18)

где L_* - светимость звезды, А - альбедо планеты. Отсюда расстояние экзопланеты от ее звезды:

(2.19)

Например, по формуле (2.19), для системы Земля - Солнце:

(2.20)

Потребуем, чтобы освещенность на экзопланете равнялась освещенности от Солнца на Земле, и найдем расстояние от звезды до экзопланеты:

(2.21)

где - расстояние от звезды до экзопланеты, в астрономических единицах, на котором энергия излучения звезды, попадающая на планету, равна энергии излучения Солнца, падающей на Землю. От отношения светимостей звезды и Солнца можно перейти к отношению их эффективных температур и радиусов:

(2.22)

Это расстояние от звезды до планеты можно назвать радиусом эффективной земной орбиты, если эксцентриситет орбиты невелик. По определению: эффективная земная орбита - орбита, на которой планета имела бы климат, подобный земному.

Также радиус эффективной земной орбиты для конкретной звезды описывается уравнением:



, (2.23)

где - радиус эффективной земной орбиты, в астрономических единицах, - светимость звезды, - светимость Солнца.

Один из неожиданных статистических результатов поиска экзопланет - это обнаружение планет-гигантов, подобных Юпитеру, на очень малых расстояниях от звезды, даже меньше 0.1 а.е. Согласно теории происхождения планетных систем, планеты-гиганты не могут образоваться на малых расстояниях от звезды, поскольку для этого не хватит протопланетного вещества. Объяснить этот наблюдаемый факт можно, если предположить миграцию планет после их образования в сторону звезды. Происходит миграция вследствие потери орбитального углового момента, практически сформировавшейся планетой из-за ее торможения в оставшемся протопланетном веществе. Но такая миграция планет-гигантов разрушает малые планеты, уже образовавшиеся на близких расстояниях от звезды. Следовательно, присутствие планет-гигантов в звездных системах на малых расстояниях от звезды свидетельствует, что наличие планет, пригодных для жизни, в этих системах маловероятно.

2.5 Экзопланеты в обитаемой зоне

Рассмотрим список потенциально жизнепригодных экзопланет. Он отсортирован по критерию сходства с Землёй с использованием индекса подобия Земле, который разработан Лабораторией жизнепригодности планет при Университете Пуэрто-Рико в Аресибо, [28]. В таблице используется ряд индексов:

Индекс подобия Земле (ИПЗ) (Earth Similarity Index - ESI) - параметр, который показывает, насколько экзопланета соответствует Земле. Индекс принимает значения в диапазоне от 0 до 1, где «1» соответствует полной идентичности Земле.

Основной уровень жизнепригодности (ОУЖ) (Standard Primary Habitability - SPH) - параметр, определяющий водно-тепловую пригодность климата планеты для существования наземной растительности. Принимает значения от 0 до 1, где «1» - наиболее пригодные для жизни условия. Является функцией от температуры поверхности и относительной влажности. Значение «1» присваивается планетам со средней приповерхностной температурой 25 °C, «0» - планетам с температурой выше 50 °C и ниже 0 °C. Для экзопланет используется только температурная составляющая. Предполагается, что на планете присутствует вода.

Удалённость от обитаемой зоны (УоОЗ) (Habitable Zones Distance - HZD) - параметр, определяющий удалённость планеты от центра обитаемой зоны родительской звезды. Значению «0» соответствует центр обитаемой зоны, ?1 и +1 - её внутренний и внешний края. Является функцией от светимости звезды, её температуры, а также расстояния до планеты.

Состав обитаемой зоны (СОЗ) (Habitable Zone Composition - HZС) - параметр, который определяет состав экзопланеты. Значения близкие к «0» соответствуют телам, состоящим из смеси железа, камня и воды. Значения ниже «-1» - тела, состоящие преимущественно из железа, а значения выше «+1» - тела, состоящие преимущественно из газа. Зависит от массы и радиуса планеты.

Атмосфера обитаемой зоны (АОЗ) (Habitable Zone Atmosphere - HZA) - параметр, характеризующий возможность экзопланеты держать атмосферу. Значения ниже «-1» обозначают тела со слабой атмосферой или без нее. Значения выше «+1» - тела, с плотной водородной атмосферой. Значение «0» не обязательно обозначает идеальные условия. Зависит от массы, радиуса, орбиты вращения планеты и светимости звезды.

Планетный класс (Planetary Class - pClass) - параметр, характеризующий планетные тела в виде комбинации из трёх температурных классов и семи категорий масс. Температурный класс зависит от положения планеты относительно обитаемой зоны. Может быть трёх видов: горячий, тёплый и холодный. Категория масс подразделяется на следующие типы: астероид, меркурий, миниземля, земля, суперземля, нептун и юпитер.

Класс жизнепригодности (Habitable Class - hClass) - параметр, который является классификацией только жизнепригодных миров. Состоит из пяти температурных категорий (рисунок 2.1):

1) гипопсихропланеты (hP, очень холодные планеты), температура от ?100 до ?50 °C;

2) психропланеты (Р, холодные планеты), температура от ?50 до 0 °C;

3) мезопланеты (М, планеты со умеренной температурой), температура от 0 до 50 °C;

4) термопланеты (Т, горячие планеты), температура от 50 до 100 °C;

5) гипертермопланеты (hT, очень горячие планеты), температура от 100 до 150 °C.

Рисунок 2.1 - классификация жизнепригодных планет по температурам.

Универсальный класс NH применяется для обозначения непригодных для жизни планет.

Температура T_п средняя приповерхностная температура атмосферы в градусах Кельвина. Расчёт основан на предположении, что планета имеет атмосферу, подобную земной, с парниковым эффектом за счет наличия 1% СО₂ и при альбедо 0,3.

На 25 января 2015 года в каталоге жизнепригодных экзопланет (Habitable Exoplanets Catalog) представлено 48 обнаруженных потенциально пригодных для жизни экзопланет. Но из них только 15 были подтверждены. Данные представлены в таблице «Потенциально жизнепригодные экзопланеты», (см. приложение). Также для сравнения в список добавлены четыре планеты земной группы Солнечной системы.

Чуть больше дюжины планет за 5 лет исследований - не так уж и много, но лучше, чем ничего. Отталкиваясь от индексов, толком ничего нельзя сказать. Можно лишь перечислить ряд наиболее похожих на Землю планет и примерно сопоставить. Об условиях на самой планете можно только догадываться.. Поэтому рассмотрим таблицу 2.4. Она основана на данных этой же Лаборатории при Университете Пуэрто-Рико в Аресибо, [28]. Также при её составлении за основу взят индекс подобия Земле (планеты отсортированы по уменьшению индекса), но вместо совокупности других различных индексов предоставлены физические характеристики подтверждённых экзопланет. Данные от 12 апреля 2015 года.

Масса планет представлена в массах Земли, радиус - в радиусах Земли, средний звездный поток планеты (Flux) - в земных потоках (средний звёздный поток Земли = 1,0 F_з), температура - в градусах Кельвина, период - в днях и расстояние выражено в парсеках.

В данной таблице присутствуют всего 30 экзопланет: 10 планет земного размера и 20 - суперземель. Суперземля - это класс планет, масса которых больше массы Земли, но значительно меньше массы газовых гигантов.



Таблица 2.4 - Подтверждённые потенциально жизнепригодные планеты.

	Имя	Тип	Масса (MЗ)	Радиус (RЗ)	Flux (FЗ)	T экв (К)	Период (дней)	Расст. (пс)	ИПЗ
1	Kepler-438 b	K-Warm Terran	4.0 - 1.3 - 0.6	1.1	1.38	276	35.2	145	0.88
2	Kepler-296 e	M-Warm Terran	12.5 - 3.3 - 1.4	1.5	1.22	267	34.1	519	0.85
3	GJ 667C c	M-Warm Terran	3.8	1.1 - 1.5 - 2.0	0.88	247	28.1	7	0.84
4	Kepler-442 b	K-Warm Terran	8.2 - 2.3 - 1.0	1.3	0.70	233	112.3	342	0.84
5	Kepler-62 e	K-Warm Superterran	18.7 - 4.5 - 1.9	1.6	1.10	261	122.4	368	0.83
6	GJ 832 c	M-Warm Superterran	5.4	1.2 - 1.7 - 2.2	1.00	253	35.7	5	0.81
7	EPIC 201367065 d	M-Warm Superterran	14.1 - 3.7 - 1.5	1.5	1.51	282	44.6	45	0.80
8	Kepler-283 c	K-Warm Superterran	35.3 - 7.0 - 2.8	1.8	0.90	248	92.7	534	0.79
9	tau Cet e*	G-Warm Terran	4.3	1.1 - 1.6 - 2.0	1.51	282	168.1	4	0.78
10	GJ 180 c*	M-Warm Superterran	6.4	1.3 - 1.8 - 2.3	0.79	239	24.3	12	0.77
11	GJ 667C f*	M-Warm Terran	2.7	1.0 - 1.4 - 1.8	0.56	221	39.0	7	0.77
12	Kepler-440 b	K-Warm Superterran	41.2 - 7.7 - 3.1	1.9	1.43	273	101.1	261	0.75
13	GJ 180 b*	M-Warm Superterran	8.3	1.3 - 1.9 - 2.4	1.23	268	17.4	12	0.75
14	GJ 163 c	M-Warm Superterran	7.3	1.3 - 1.8 - 2.4	1.40	277	25.6	15	0.75
15	HD 40307 g	K-Warm Superterran	7.1	1.3 - 1.8 - 2.3	0.68	227	197.8	13	0.74
16	EPIC 201912552 b	M-Warm Superterran	N/A - 16.5 - 6.0	2.2	0.94	251	32.9	111	0.73
17	Kepler-61 b	K-Warm Superterran	N/A - 13.8 - 5.2	2.2	1.27	267	59.9	602	0.73
18	Kepler-443 b	K-Warm Superterran	N/A - 19.5 - 7.0	2.3	0.89	247	177.7	779	0.71
19	Kepler-22 b	G-Warm Superterran	N/A - 20.4 - 7.2	2.4	1.11	261	289.9	190	0.71
20	GJ 422 b*	M-Warm Superterran	9.9	1.4 - 2.0 - 2.6	0.68	231	26.2	13	0.71
21	GJ 3293 c*	M-Warm Superterran	8.6	1.4 - 1.9 - 2.5	0.60	223	48.1	18	0.70
22	Kepler-298 d	K-Warm Superterran	N/A - 26.8 - 9.1	2.5	1.29	271	77.5	474	0.68
23	Kapteyn b	M-Warm Terran	4.8	1.2 - 1.6 - 2.1	0.43	205	48.6	4	0.67
24	Kepler-62 f	K-Warm Terran	10.2 - 2.8 - 1.2	1.4	0.39	201	267.3	368	0.67
25	Kepler-174 d	K-Warm Superterran	N/A - 14.8 - 5.5	2.2	0.43	206	247.4	360	0.61
26	Kepler-186 f	K-Warm Terran	4.7 - 1.5 - 0.6	1.2	0.29	188	129.9	172	0.61
27	GJ 667C e*	M-Warm Terran	2.7	1.0 - 1.4 - 1.8	0.30	189	62.2	7	0.60
28	Kepler-296 f	M-Warm Superterran	28.7 - 6.1 - 2.5	1.8	0.34	194	63.3	519	0.60
29	GJ 682 c*	M-Warm Superterran	8.7	1.4 - 1.9 - 2.5	0.37	198	57.3	5	0.59
30	KOI-4427 b*	K-Warm Superterran	38.5 - 7.4 - 3.0	1.8	0.24	179	147.7	240	0.52

Сразу бросается в глаза то, что все планеты больше Земли. Это вызвано несовершенством оборудования. Чем больше планета, тем её легче обнаружить. Но слишком маленькие планеты пока, если так можно выразиться, не по зубам нынешним земным технологиям. Тем не менее, каждый день обнаруживаются всё новые планеты и ранее неизведанные космические тела. Рассмотрим более подробно некоторые планеты.

3. Анализ таблицы: обзор некоторых планет в обитаемой зоне

Выберем из таблицы 2.4 несколько планет.

Kepler-22 b: это первая суперземля в обитаемой зоне, найденная космическим телескопом «Кеплер» (отсюда и название), индекс подобия Земле - 0.71.

Kepler-62 e: суперземля, входит в состав планетной системы из пяти планет. Экзопланета была обнаружена космическим телескопом «Кеплер». Индекс подобия Земле - 0.83.

GJ 667C c (другое название Gliese 667C c): планета интересна тем, что вращается вокруг звезды, которая входит в состав системы из трёх звёзд. Имеет довольно высокий индекс подобия Земле - 0.84.

Рассчитаем границы обитаемых зон для их родительских звёзд. Вычислим ускорения свободного падения для звёзд и планет. Температуры планет. Сравним с Солнечной Системой и Землей.

3.1 Kepler-22 b

Планета вращается вокруг звезды Kepler-22 (Таблица 3.1).

Таблица 3.1 - Родительская звезда Kepler-22

	Созвездие	Лебедь
	Склонение	45°53?04??
	Прямое восхождение	19°16?52??
	Расстояние от Солнца, пк	190
	Спектральный класс	G5
	Видимая звёздная величина	11.66
	Масса, в массах Солнца	0.97±0.06
	Радиус, в радиусах Солнца	0.979±0.02
	Эффективная температура, К	5518±44
	Светимость, в светимостях Солнца	0.79
	Металличность [Fe/H]	-0.29±0.06
	Возраст, млрд. лет	-
	Кратность звезды	Одиночная

Радиус эффективной земной орбиты можно найти по формуле (2.23), зная светимость родительской звезды и светимость Солнца. Светимость можно найти по формуле:

(3.1)

где S - площадь поверхности звезды (считаем объект сферически симметричным), H - поток излучения от звезды, R - радиус звезды, у - постоянная Стефана-Больцмана, T - эффективная температура звезды. Перепишем формулу (2.23):

(3.2)

=7·10⁵ км, =5778К. Тогда радиус эффективной земной орбиты для Kepler-22:

а.е., (3.3)

Внутреннюю и внешнюю границы обитаемой зоны можно найти по формулам (2.6) - (2.9) соответственно. Подставим, получим:

(3.4)

и на внешней границе обитаемой зоны:

(3.5)

Тогда внутренняя и внешняя границы обитаемой зоны:

(3.6)

(3.7)

Большая полуось планеты Kepler-22 b немного меньше радиуса эффективной земной орбиты. Расстояние от Kepler-22 b до Kepler-22 меньше, чем расстояние от Земли до Солнца. Но при этом световой поток от материнской звезды также меньше, чем от Солнца. Сочетание меньшего расстояния от звезды и меньшего светового потока предполагает умеренную температуру на поверхности планеты.

В таблице 3.2 отображены физические характеристики планеты, вращающейся вокруг звезды Kepler-22. Планета одиночная.

Таблица 3.2. - Характеристики планеты Kepler-22 b

Планета	Kepler-22 b
Год открытия	2011
Большая полуось, а.е.	0.849±0.018
M, масс Юпитера	0.11
Радиус, в радиусах Юпитера	0.21±0.012
Орбитальный период, дней	289.862±0.02
Эксцентриситет	-
Аргумент перицентра(омега)	-
Наклонение орбиты i	89.76±0.04



Рисунок 3.1 - Орбита планеты Kepler-22 b

На рисунке 3.1 изображена орбита планеты в предположении нулевого эксцентриситета. Радиус эффективной земной орбиты показан зелёным.

Вычислить и оценить значение температуры можно по формуле:

(3.8)

где A - альбедо, R_* - радиус родительской звезды, a - большая полуось орбиты планеты, T_* - температура родительской звезды. Предполагаем, что планета земного типа и находится в обитаемой зоне, подобной земной, следовательно, и альбедо равно земному и составляет 0.367. Тогда, подставляя данные, получаем температуру поверхности планеты Kepler-22 b:

(3.9)

Средняя по поверхности эффективная температура Земли, рассчитанная по данной формуле, составляет 249 К. Средняя же по поверхности температура в основании тропосферы - 288 К. Эта разница вызвана тем, что жесткое солнечное излучение поглощается вышележащими слоями атмосферы, а излучение в видимой области спектра практически не поглощается в тропосфере, зато поглощается поверхностью Земли. Максимум излучения поверхности планеты лежит в инфракрасной области. Это излучение поглощается газами тропосферы. Получается, что тропосфера нагревается фактически снизу. Это явление называется парниковым эффектом. В тропосфере сосредоточено около 90% массы атмосферы и именно в этом атмосферном слое протекают процессы, непосредственно определяющие погодные условия на Земле.

Таким образом, на примере Земли видно, что расчёты без учёта атмосферы приводят к ошибке величины температуры планеты в меньшую сторону. Следовательно, чтобы получить более или менее точное значение температуры экзопланеты, необходимо учесть влияние ее атмосферы. Но определение влияния последней, а тем более её состав, в настоящее время является проблематичной задачей.

В соответствии с законом всемирного тяготения, значение гравитационного ускорения на поверхности Земли или другой планеты можно связать с массой и радиусом планеты соотношением:

(3.10)

где G - гравитационная постоянная, равная 6.67·10^-11 м³/(с²·кг), M и r - масса и радиус планеты соответственно. Подставим, получим. Для Kepler-22 и планеты:

(3.11)

(3.12)

На Солнце ускорение свободного падения составляет 274 м/с². На Земле же оно составляет g=9.81 м/с², что в 6.6 раз меньше, чем на планете Kepler-22 b.

Для подтверждения планетной природы этого кандидата исследователи тщательно проверили и исключили те физические процессы, которые могут имитировать транзитный сигнал от планеты, который приводит к ложным открытиям. 3 июля 2010 года были получены снимки самых ближайших окрестностей звезды Kepler-22 на 5-метровом телескопе Паломарской обсерватории, с целью исключить затменно-двойные звезды фона. С этой же целью были получены спектры звезды с высочайшим качеством для поиска следов другого звездного спектра. Отсутствие такого спектра, а также отсутствие вторичного минимума на кривой блеска Kepler-22 утвердил ученых в мысли, что они имеют дело именно с планетой, [29].

Оценим плотность планеты. Для этого воспользуемся формулой:

(3.13)

Плотность Земли составляет 5.5 г/см³. То есть, плотность Kepler-22 b почти в 3 раза больше плотности Земли.

Позже было установлено, что планета представляет собой мини-нептун. Мини-нептун (или Газовый карлик) - это класс планет, размер которых меньше размера Урана и Нептуна, а масса не превышает 10 M_З. Такие планеты имеют плотную водородно-гелиевую атмосферу. У них могут встречаться каменистые и ледяные слои, а так же океаны из жидкой воды, аммиака или смеси эти веществ. Газовые карлики имеют небольшие ядра, которые состоят из летучих веществ с низкой плотностью. При отсутствии плотной атмосферы могли бы быть классифицированы как водные планеты.

3.2 Kepler-62 e

Эта звезда главной последовательности немного меньше и прохладнее Солнца. Отличается пониженным содержанием тяжелых элементов - их в 2.3 раза меньше, чем в составе Солнца. Физические характеристики звезды представлены в таблице 3.3.

Таблица 3.3 - Родительская звезда Kepler-62

	Созвездие	Лебедь
	Склонение	45°21?00??
	Прямое восхождение	18°52?51??
	Расстояние от Солнца, пк	368
	Спектральный класс	K2V
	Видимая звёздная величина	13.75
	Масса, в массах Солнца	0.69±0.02
	Радиус, в радиусах Солнца	0.64±0.02
	Эффективная температура, К	4925±70
	Светимость, в светимостях Солнца	0.22
	Металличность [Fe/H]	-0.37±0.04
	Возраст, млрд. лет	7±4
	Кратность звезды	Одиночная

По аналогии с вычислениями для Kepler-22, получим радиус эффективной земной орбиты для Kepler-62:

а.е., (3.14)

что в 2 раза меньше, чем для Солнца. Границы обитаемой зоны:

(3.15)

(3.16)

(3.17)

(3.18)

Довольно широкая обитаемая зона. Вокруг звезды вращаются пять планет. В таблице 3.4 предоставлены характеристики планетной системы.



Таблица 3.4 - Планетная система звезды Kepler-62

Планета	Kepler-62 b	Kepler-62 c	Kepler-62 d	Kepler-62 e	Kepler-62 f
Год открытия	2013	2013	2013	2013	2013
Большая полуось, а.е.	0.0553±0.0005	0.0929±0.0009	0.12±0.001	0.427±0.004	0.718±0.007
M, масс Юпитера	0.0283	0.0126	0.044	0.113	0.11
Радиус, в радиусах Юпитера	0.117±0.004	0.048±0.004	0.174±0.006	0.144±0.004	0.126±0.006
Орбитальный период, дней	5.71493±0.00001	12.4417±0.0001	18.16406±0.00002	122.3874±0.0008	267.29099±0.005
Эксцентриситет	-	-	-	-	-
Аргумент перицентра(омега)	-	-	-	-	-
Наклонение орбиты i	89.2±0.4	89.7±0.2	89.7±0.3	89.98±0.02	89.9±0.03

Рисунок 3.2 - Орбиты планетной системы возле звезды Kepler-62

На рисунке 3.2 изображены орбиты внутренней и внешней частей системы Kepler-62. Предполагается нулевой эксцентриситет.

Эффективный радиус земной орбиты в 2 раза меньше, чем для системы Солнце-Земля. Но с учётом того, что родительская звезда гораздо меньше и тусклее Солнца, четвертая планета этой системы, Kepler-62 е, должна получать необходимое количество энергии. Её большая полуось практически совпадает с радиусом эффективной земной орбиты. Вращается чуть ближе к звезде, нежели проходит радиус эффективной земной орбиты. Оценим эффективную температуру планеты, воспользовавшись той же формулой, с помощью которой вычислялась температура для Kepler-22 b:

(3.19)

Если учесть, что атмосферой пренебрегаем, то можно сделать вывод, что температура должна быть даже немного выше, чем на Земле. Аналогично предыдущей системе, для родительской звезды и планеты Kepler-62 e ускорение свободного падения на поверхности:

(3.20)

(3.21)

что в 1.67 раз больше, чем на Солнце и в 14.4 раза больше, чем на Земле.

Плотность планеты составляет:

(3.22)

Это слишком нереальные числа. Не представляется возможным даже смоделировать планету с подобными характеристиками. Но в работе [30] есть предположение относительно массы планеты: в случае преимущественно водного состава масса планеты Kepler-62 e составляет 2-4 массы Земли (первая цифра соответствует составу 75% воды и 25% силикатов, вторая - 15% воды и 85% силикатов). Глубина глобального океана оценивается в 80-150 км, ниже вода переходит в форму льда. Кроме углекислого газа в атмосфере может присутствовать водяной пар, азот и кислород (последний - при наличии жизни), а также следы метана и инертных газов.

Тогда, если взять среднюю массу, равную 3 массам Земли, ускорение свободного падения составляет:

(3.23)

и, соответственно, плотность:

(3.24)

Такие значения кажутся более реальными. Значения совсем ненамного отличаются от данных на Земле. Если всё-таки данная масса является более правдоподобной (нежели значение в 36 масс Земли), то планета вполне удовлетворяет необходимым условиям для возникновения и поддержания жизни. Можно было бы сделать более точные выводы, имелись бы какие-либо точные сведения об атмосфере планеты.

3.3 Gliese 667C c

Gliese 667 или 142 Скорпиана - тройная система в созвездии Скорпиона, состоящая из двух оранжевых и одного красного карликов.

Компоненты A и B разделены между собой расстоянием 12,6 а. е. и движутся по вытянутой эллиптической орбите (e=0,58). Период обращения этих компонент составляет 42,15 года, их орбита повёрнута к земному наблюдателю под углом 128°.

Компонента C наименее изучена астрономами. Известно, что она удалена от компонент A и B примерно на 230 а.е. Вращается вокруг пары звёзд как одного целого. Это тусклый и холодный красный карлик спектрального класса M1.5V. Как и у большинства красных карликов, в её атмосфере происходят бурные процессы, похожие на солнечные вспышки, поэтому звезду относят к классу вспыхивающих переменных звёзд, [31]. Подробная информация представлена в таблице 3.5.

Таблица 3.5 - Родительская звезда Gliese 667C

	Созвездие	Скорпион
	Склонение	-34°59?23??
	Прямое восхождение	17°18?57??
	Расстояние от Солнца, пк	6.84±0.4
	Спектральный класс	M1.5V
	Видимая звёздная величина	10.22
	Масса, в массах Солнца	0.33±0.02
	Радиус, в радиусах Солнца	0.42
	Эффективная температура	3350±50
	Светимость, в светимостях Солнца	0.013
	Металличность [Fe/H]	-0.55±0.1
	Возраст, млрд. лет	2
	Кратность звезды	Кратная

Радиус эффективной земной орбиты:

а.е. (3.25)

Это в 4 раза ближе, чем в Солнечной системе. Границы обитаемой зоны:

(3.26)

(3.27)

(3.28)

(3.29)

Довольно узкая обитаемая зона. Тем не менее, возле звезды было обнаружено две планеты, одна из которых вращается практически на внутренней границе обитаемой зоны. В таблице 3.6 отражены физические характеристики планет, вращающихся вокруг данной родительской звезды.

Таблица 3.6 - Характеристики планет системы Gliese 667C

Планета	Gliese 667C b	Gliese 667C c
Год открытия	2009	2011
Большая полуось, а.е	0.0504	0.12501±0.00009
M, масс Юпитера	0.0176±0.0009	0.0129±0.0019
Радиус, в радиусах Юпитера	-	-
Орбитальный период, дней	7.1999±0.0009	28.1±0.03
Эксцентриситет	0.15±0.05	0.27±0.1
Аргумент перицентра(омега)	12±20	140±20
Наклонение орбиты i	-	-

Так как расстояние от родительской звезды до других звёзд системы довольно велико, их влияние никак не сказывается на планетной системе. Учитывая то, что родительская звезда представляет собой тусклый холодный красный карлик, масса которого в 3 раза, а радиус - в 2, меньше Солнца, то температурный режим внешней планеты, по данным первооткрывателей, соответствует температурному режиму Земли, [32]. Посчитаем, также в приближении земного альбедо:

(3.30)

Ускорение свободного падения для планеты Gliese 667C c определить невозможно, так как планета была открыта путём анализа колебаний лучевой скорости звезды, измеренной спектрографом HARPS. Метод лучевых скоростей позволяет определить только нижний предел массы планеты, но не радиус. В основном, он используется для проверки наличия планет при подтверждении открытий. Для родительской звезды ускорение свободного падения составляет:

(3.31)

Это в 1.86 раз больше, чем на Солнце.

Если наклонение ее орбиты i не слишком мало и, соответственно, масса не слишком велика (пока на этот счет нельзя сказать ничего определенного), парниковый эффект, создаваемый плотной (но не слишком плотной) атмосферой создаст на поверхности планеты вполне комфортные условия для существования примитивной (а может, и не слишком примитивной) жизни, [33]. Но опять за недостатком данных, какие-либо конкретные выводы нельзя сделать. Более того, наличие землеподобной планеты в звёздной системе - уже что-то удивительное.



Заключение

Цели и задачи, поставленные в этой работе, выполнены.

В первой главе были представлены имеющиеся статистические данные об экзопланетах. Рассмотрены вероятности наличия экзопланет в зависимости от металличности и спектрального класса родительских звёзд. Изучены различные типы планет в зависимости их массы и температуры. Приведены результаты статистических данных для орбитальных периодов и эксцентриситетов орбит экзопланет. Представлены данные касательно планетных систем.

Во второй главе рассматривались критерии для выбора звёзд, похожих на Солнце, а именно необходимые характеристики для звезд солнечного типа, звезд-аналогов Солнца и двойников Солнца. Раскрыто понятие галактической и классической обитаемой зон. Получены формулы для определения границ классической обитаемой зоны и радиуса эффективной земной орбиты. Проведен краткий обзор таблиц «Потенциально жизнепригодных экзопланет» и «Подтверждённых потенциально жизнепригодных планет».