Солнечная система издалека

[vika vorobyeva]

Давно хотела завести эту тему, но все руки не доходили.

К сожалению, многие посетители форума крайне туманно представляют себе работу экзопланетных астрономов и реальные возможности современных методов и инструментов. Отсюда возникают требования немедленно представить вторую Землю или вторую Солнечную систему (а раз они не открыты, то их типа не существует). В этой теме я предлагаю рассмотреть, как будет выглядеть наша Солнечная система при наблюдениях современными средствами с разных расстояний, и какими методами какие планеты возможно открыть. Исторический взгляд на этот вопрос тоже приветствуется.

Начну с метода измерения лучевых скоростей.
Итак, Солнце - сравнительно хромосферно тихий одиночный G-карлик среднего возраста. Его абсолютная звездная величина (грубо) +4.8, звездой именно такой звездной величины оно будет выглядеть с расстояния 10 пк. На расстоянии 100 пк видимая звездная величина Солнца увеличится до +9.8, на расстоянии 1000 пк - до +14.8 (в пренебрежении межзвездным поглощением света, которым на расстояниях ~1 кпк пренебрегать уже нельзя).
Юпитер наводит на Солнце колебания лучевой скорости с амплитудой ~13 м/сек с периодом 11.9 лет, Сатурн ~3 м/сек с периодом 29.4 лет. Все внутренние планеты (Меркурий, Венера, Земля и Марс) наводят лучевую скорость меньше 10 см/сек. Замечу, что эти амплитуды лучевой скорости будут достигнуты только при удачном расположении внеземного наблюдателя примерно в плоскости эклиптики, в противном случае их надо умножать на величину sin i, где i - наклонение плоскости эклиптики относительно наблюдателя.
Лучшие современные спектрографы измеряют лучевую скорость звезд с точностью ~1 м/сек (в некоторых наиболее удачных случаях очень спокойных К-звезд - 0.6-0.8 м/сек).
Отсюда немедленно следует, что:
- планеты земной группы в Солнечной системе RV-методом обнаружить невозможно,
- наблюдательная программа, рассчитанная на 10 лет и достигшая точности 1 м/сек, Юпитер, скорее всего, обнаружит, но его видимый эксцентриситет орбиты окажется завышенным из-за влияния Сатурна, которое за 10 лет наблюдений отделить не удастся,
- потребуется как минимум 30 лет наблюдений с точностью 1 м/сек, чтобы разделить влияние Юпитера и Сатурна на лучевую скорость Солнца и убедиться, что вокруг Солнца вращается не один гигант на эллиптической орбите, а два гиганта на почти круговых орбитах.
Для обнаружения RV-методом Урана и Нептуна требуются наблюдательные программы продолжительностью более 100 лет (чего мы сейчас явно не имеем).
Вывод - "с точки зрения метода лучевых скоростей" в Солнечной системе есть две планеты-гиганта. Причем для аккуратного разделения их влияния на Солнце требуются наблюдательные программы продолжительностью не менее 30 лет. Для более коротких программ в Солнечной системе есть всего одна планета-гигант на широкой слегка эллиптической орбите.

Продолжение следует.

[Klapaucius]

http://www.allplanets.ru/tipy_exoplanet.htm

Постоянно читаю про Суперземли и Мининептуны - а они в данной статье отсутствуют. Не удостоились отдельного типа?

Статья года 2007, нет? А вообще и так понятно. Океанида - уже почти мининептун. Между большими землеподобными планетами, где ещё кроме океанов может быть суша и собственно тёплыми нептунами конечно есть класс океанид. Когда в атмосфере водорода ещё мало, есть жидкий водяной океан, но на дне (это видимо уже не десятки километров глубины, а сотни) уже довольно сильные безобразия по нашим бытовым представлениям.

[vika vorobyeva]

Постоянно читаю про Суперземли и Мининептуны - а они в данной статье отсутствуют. Не удостоились отдельного типа?

Вы правы, сетка типов за 13 лет устарела, и ее имеет смысл пересмотреть.
Немного погодя заведу тему (или откопаю старую), где можно будет обсудить новую сетку.

[Инопланетянин]

Вы правы, сетка типов за 13 лет устарела

Вы бы и по Плутону новые фотографии вставили бы.

[SpaceEngineer]

Вы правы, сетка типов за 13 лет устарела, и ее имеет смысл пересмотреть.
Немного погодя заведу тему (или откопаю старую), где можно будет обсудить новую сетку.

Завели? Мне и тов. Dayan есть что сказать))

[Андрей Астрофизический]

Я бы тоже кое-чего сказал бы.
Касательно сайта.

[vika vorobyeva]

Вы правы, сетка типов за 13 лет устарела, и ее имеет смысл пересмотреть.
Немного погодя заведу тему (или откопаю старую), где можно будет обсудить новую сетку.

Завели? Мне и тов. Dayan есть что сказать))

Можно поднять старую тему, посвященную сетке типов:
https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,27097.160.html

Я бы тоже кое-чего сказал бы.
Касательно сайта.

А сам сайт лучше обсуждать тут:
https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,10929.100.html

[Compositor]

Достаточна ли точность действующих инструментов, чтобы увидеть земле-подобную планету у жёлтого карлика?

Есть тема.
https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,110228.0.html

Дорогие старейшие участники и модераторы,
мне кажется, что эта тема незаслуженно задвинута куда-то в малопосещаемый раздел форума, а заданный вопрос всплывает систематически. Я тоже весьма интересовался обнаружимостью полных аналогов Земли - но тему Вики Воробьевой самостоятельно не нашел. Это просто ужасает, учитывая, сколько труда вложила Вика в написание своего великолепного обзора. Давайте с этим что-нибудь сделаем? Например, прикрепим тему в топе оглавления "Астрономии для всех"?

Уважаемая Вика могла бы, мне кажется, поставить ссылку с названием темы в свою подпись и таким образом пиарить ее с каждым своим сообщением. Вот как я пытаюсь продвигать мою "пешеходную" тему через подпись.

[Инопланетянин]

Поддерживаю. "Солнечная система издалека" заслуживает прикрепления. Это надо знать.

[an 2]

Вероятно теоретические рассуждения и спекуляции об экзопланетах, как предлагала  vika vorobyeva, лучше перенести сюда.
Что и сделаем.

Dayan пишет: "Я бы предложил такую классификацию водных планет (в которых массовая доля воды достаточна для формирования льдов большого давления, скажем превышает массовую долю воды в спутнике Юпитера Европе, 10%):
1) Ледяные миры наподобие ледяных спутников планет-гигантов системы;"
 С этим проблем нет, да, такие небесные тела достаточно четко отделяются от каменистых планет по основному признаку: у них твердая ледяная кора и жидкая водная мантия с растворенными в воде летучими.

"2)  Планеты-океаны/океаниды со слоем обычной жидкой воды в зоне обитаемости систем (в Солнечной системе аналогов нет), имеющие относительно тонкую атмосферу (которая, однако, может быть сравнимой с атмосферой Венеры на внешнем крае зоны обитаемости, но это тоже тонкая атмосфера – её масса составляет лишь около 0.01% полной массы планеты). Правда, существование жидкой воды поверх толстого слоя льда при больших давлениях под вопросом – есть статьи, в которых моделирование указывает, что океан жидкой воды неустойчив, т.е. планета либо скатывается в парник, либо обзаводится слоем льда."

Тут наверное следует уже разбираться с классификацией. Сразу возникает вопрос, это какая же доля газов должна быть, что бы вода начала под давлением атмосферы отвердевать?  Тут скорее всего долей атмосферы в 0.01% полной массы не обойтись, такие планеты это уже по другому классу должны проходить.
Более четкое разделение будет если к планетам-океанам/океанидам относить те у которых есть поверхность раздела фаз газ -жидкость.
И атмосфера не водородно/гелиевая. Правда это спорное утверждение.

И самое неопределенное.
") Мининептуны – планеты с наличием мощного слоя сверхкритической воды с высокими температурами и давлениями в глубине, оканчивающимся либо суперионными "льдами" и проводящей жидкостью/плазмой (внутри Урана, Нептуна и классических нептунов)"

В таком случае чем эти мининептуны отличаются от просто нептунов?   Массой меньше чем у Урана, Нептуна а больше ни чем?

"либо переходным слоем с растворёнными в водной сверхкритической жидкости тяжёлыми веществами при менее экстремальных условиях внутри лёгких мининептунов (где содержание тяжёлых веществ меняется от почти нуля до 100%).  Плотность вещества внутри этих планет увеличивается с приближением к центру не скачкообразно при фазовых переходах, а плавно."

Гм... Наверное это можно принять как определение мининептуна.
Но может быть состав атмосферы имеет значение?
Тогда к мининетунам будут отностится планеты с водородно -гелиевой атмосферой и с поверхностью раздела фаз. То есть атмосфера может граничить с океаном или даже с твердой поверхностью но без сверхкритических жидкостей и фазовых переходов. Но давление атмосферы на границе с океаном или твердой поверхностью меньше тысячи атмосфер. Может это будут два подкласса мининептунов?
Как то так.

[vika vorobyeva]

Друзья, давайте все же сетку типов экзопланет обсуждать в специальной теме, а то запутаемся.
Вот: https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,27097.msg489986.html

Просьба к модераторам перенести туда последнее сообщение an 2 и пост Dayan из темы TESS.

[Dayan]

Просьба к модераторам перенести туда последнее сообщение an 2 и пост Dayan из темы TESS.

Нет, пусть тот мой пост остаётся в той теме, а сообщения, начиная с сегодняшнего сообщения an 2 можно перенести.

[Dayan]

1) Ледяные миры наподобие ледяных спутников планет-гигантов системы;"
 С этим проблем нет, да, такие небесные тела достаточно четко отделяются от каменистых планет по основному признаку: у них твердая ледяная кора и жидкая водная мантия с растворенными в воде летучими.

Жидкая водная мантия есть только у небольших тел вроде Европы. На холодных экзопланетах с большей массой мантия состоит изо льдов высокого давления, а также верхнего слоя океана жидкой воды под корой из обычного льда.

2) Планеты-океаны/океаниды со слоем обычной жидкой воды в зоне обитаемости систем, имеющие относительно тонкую атмосферу.

Более четкое разделение будет если к планетам-океанам/океанидам относить те у которых есть поверхность раздела фаз газ -жидкость.
И атмосфера не водородно/гелиевая. Правда это спорное утверждение.

Я думал, что чёткое разделение фаз "газ-жидкость-лёд" из моего сообщения настолько очевидно, что не стал об этом писать отдельным образом. Атмосфера может состоять из чего угодно. Главный момент в определении термина "Планеты-океаны/океаниды" в том, что атмосфера обеспечивает существование обычной (не сверхкритической!) жидкой воды на поверхности планеты – не где-то в глубине недр, а именно на поверхности, под атмосферой, с чёткими разделами фаз, естественно.

Тут наверное следует уже разбираться с классификацией. Сразу возникает вопрос, это какая же доля газов должна быть, что бы вода начала под давлением атмосферы отвердевать?  Тут скорее всего долей атмосферы в 0.01% полной массы не обойтись, такие планеты это уже по другому классу должны проходить.

Я говорил о жидкой воде:

2) Планеты-океаны/океаниды со слоем обычной жидкой воды в зоне обитаемости систем, имеющие относительно тонкую атмосферу.

И самое неопределенное.
") Мининептуны – планеты с наличием мощного слоя сверхкритической воды с высокими температурами и давлениями в глубине, оканчивающимся либо суперионными "льдами" и проводящей жидкостью/плазмой (внутри Урана, Нептуна и классических нептунов)"

Напротив, тут тоже всё понятно.

В таком случае чем эти мининептуны отличаются от просто нептунов?   Массой меньше чем у Урана, Нептуна а больше ни чем?

Да, только массой, как следует из приставки "мини", аналогично "суперземле".

Гм... Наверное это можно принять как определение мининептуна.
Но может быть состав атмосферы имеет значение?

Состав атмосферы может быть разным (водородно-гелиевая, водная, гелиевая, метановая, смешанная), ведь главная суть идеи введения специального термина "(мини)нептун", как и у Урана и Нептуна – отсутствие твёрдой поверхности. И условием (необходимым, но недостаточным) этого является сверхкритическая жидкость. Венера в Солнечной системе окружена слоем сверхкритической жидкости из углекислоты, но мощности её атмосферы недостаточно для расплавления коры и формирования переходного слоя растворённых веществ. Оттого она и не является мининептуном.

Тогда к мининетунам будут отностится планеты с водородно -гелиевой атмосферой и с поверхностью раздела фаз. То есть атмосфера может граничить с океаном или даже с твердой поверхностью но без сверхкритических жидкостей и фазовых переходов. Но давление атмосферы на границе с океаном или твердой поверхностью меньше тысячи атмосфер. Может это будут два подкласса мининептунов?

Не соглашусь.
Такие планеты – с тонкой атмосферой (меньше тысячи атм) и чёткой поверхностью по определению не являются мининептунами, даже если в атмосфере преобладают водород-гелий. Их название определяется преобладающим в массе планеты химсоставом. Если там мощная мантия изо льда, то это ледяная планета, если силикатная мантия – то это просто планета земной группы (силикатная планета, скалистая планета), если мантия из каких-нибудь соединений углерода, то это углеродная твердотельная планета.

Если нет чёткого разделения фаз, а есть переходные слои растворённых друг в друге веществ при больших давлениях и температурах, то это "(мини)нептуны". По составу они могут различаться: "классические" (мини)нептуны, содержащие много водорода и гелия в атмосфере; водные (мини)нептуны – в которых основным компонентом атмосферы является водяной пар; гелиевые (мини)нептуны – в которых основным компонентом атмосферы является гелий, а не водород; метановые (мини)нептуны – в атмосфере которых преобладает метан.

Поскольку вода является самым распространённым химическим соединением во Вселенной после H₂, то почти все (мини)нептуны содержат много воды, а какая там атмосфера по составу – это неважно.

[Dayan]

Подытоживая сказанное. Мининептуны и нептуны – это подкласс семейства водных планет.
Примеры представителей (мини)нептунов:
Уран и Нептун – классические холодные нептуны с водородно-гелиевой атмосферой;
GJ 436 b, HAT-P-11 b – классические горячие нептуны;
TOI-2196 b, HIP 97166 b, K2-182 b – горячие плотные нептуны, вероятно уже лишённые водородно-гелиевой атмосферы (похоже, их заменяет водяной пар);
TOI-1452 b, K2-18 b, Kepler-22 b, Kepler-61 b, Kepler-62 e, TOI-700 c – мининептуны в зоне обитаемости или вблизи неё (в зоне Венеры), могут иметь какие угодно атмосферы;
GJ 1214 b, Pi Men c, Kepler-289 d, TOI-836 c – типичные горячие/тёплые мининептуны;
L 98-59 d, GJ 3090 b, Kepler-138 d, K2-3 c, HD 260655 c – маломассивные горячие/тёплые мининептуны, вероятно лишённые водородно-гелиевой атмосферы;
Kepler-11 f, Kepler-79 d, Kepler-51 c, HIP 41378 f, Kepler-87 c – раздутые тёплые мининептуны, имеющие чрезвычайно мощную водородно-гелиевую атмосферу; вероятно их можно даже отнести к другому классу – газовым карликам.

Кроме (мини)нептунов к водным планетам относятся, как я уже сказал, ледяные планеты и планеты-океаны/океаниды.

Помимо водных планет есть семейства:
1) Силикатно-металлических планет (скалистые, каменистые, планеты земной группы), подклассом которых являются (мини)/(супер) земли – аналоги Земли и Венеры по составу. Подклассами могут быть, к примеру, аналоги Меркурия, горячие лавовые миры, планеты с водной оболочкой – относительно небольшой, как у Земли или Европы, вулканические миры наподобие Ио, планеты с экзотическим минеральным силикатным составом (мантии которых не из оливина, клино- и отропироксена и их модификаций, а, например, из диопсида, граната или кварца и их модификаций).
2) Газовых планет (гиганты и карлики) – аналоги Юпитера и Сатурна, содержащие значительную долю водорода-гелия или гелия.
3) Углеродных планет, содержащих значительное количество углерода и его соединений, т.к. углерод 4-е по распространённости вещество во Вселенной после водорода, гелия и кислорода. Сюда относятся, например, подклассы планет из угарного/углекислого газа, метана, карбонатов кальция и магния, сероуглерода, карбида кремния и планет из сложных органических соединений, планет разных температурных режимов, как в других классах.

[Золотой город]

Земля и Венера выглядят одинаковыми издалека! А представьте себе такое ужасное приключение, когда откроют планету по массе похоже на землю, а когда туда прилетит экспедиция, то они увидят что там плавится свинец в атмосфере и очень высокое давление!
Или очень маленький Нептун без твёрдой поверхности, но с кислородом верхних слоях атмосферы, который образовался от разрушения водяного пара под действием ультрафиолета.

[Rattus]

А представьте себе такое ужасное приключение, когда откроют планету по массе похоже на землю, а когда туда прилетит экспедиция, то они увидят что там плавится свинец в атмосфере и очень высокое давление

Ну если они из точки отправления не смогли телескопами провести спектральный анализ атмосферы экзопланеты назначения и определить её температуру, то туда им глупым и дорога.

[vika vorobyeva]

Золотой город, есть хороший способ отличить Землю от Венеры.
Углекислый газ благодаря обилию полос в ИК диапазоне выступает как эффективный охладитель. Температура верхнего слоя мезосферы Венеры (95 км) – 165 К, температура термосферы – 300-400 К. При этом температура термосферы Земли может достигать 2000 К. В итоге корона из атомов кислорода вокруг Земли оказывается гораздо протяженнее, чем аналогичная корона вокруг Венеры. Если экзопланета, природу которой мы пытаемся определить, является транзитной, надо наблюдать транзиты этой планеты в ультрафиолетовой линии атомарного кислорода (например, триплета 130.2, 130.5 и 130.6 нм), причем делать это желательно подальше от Земли, например, из 2-й точки Лагранжа ("Хаббл" к несчастью сам погружен в кислородную корону Земли). Землеподобная планета даст в линии кислорода глубокий транзит, венероподобная планета – мелкий транзит.
Ну и если мы собрались туда лететь, то уж хорошие большие телескопы на орбите у нас точно есть, и мы в состоянии получить прямые изображения этой планеты, ее спектры, оценить поляризацию, даваемую облачным слоем и солнечным бликом на поверхности океана, и пр. Никто не полетит вслепую.

[Золотой город]

Углекислый газ благодаря обилию полос в ИК диапазоне выступает как эффективный охладитель. Температура верхнего слоя мезосферы Венеры (95 км) – 165 К, температура термосферы – 300-400 К. При этом температура термосферы Земли может достигать 2000 К.

Спасибо за развёрнутый ответ, то есть узнать какая температура на поверхности планеты невозможно, можно только верхняя Атмосфера измерить или будет средняя температура по больнице?
Я посмотрел фильм интерстеллар, там была планета ман, замороженные углекислый газ без каменной а твёрдой оболочки, то есть как бы планета почему-то названа не твёрдой я говорю там невозможно жить.
Или планета Миллер полностью покрытая океаном, там где огромные цунами. Если например будет очень маленький Нептун, состоящий из сжиженного углеводорода и воды и немножко биогенного кислорода, то его вполне можно за земли подобную планету принять?
Возможно ли аналогичная ситуация в реальном космосе?

[vika vorobyeva]

Фильм "Интерстеллар" – ненаучная фантастика.
Хороший (качественный) спектр позволяет получать информацию о небесном теле из разных слоев.
В ультрафиолете расположены линии нейтральных и ионизированных атомов – соответственно, наблюдая в лучах с длиной волны, соответствующих этим линиям, мы видим самые внешние разреженные оболочки небесных тел (в данном случае планет). В инфракрасном диапазоне расположены полосы различных молекул – и мы видим более плотные слои атмосферы. По отношению интенсивностей отдельных линий можно определить температуру газа, по профилю линий – его плотность (в разреженном газе молекулы сталкиваются редко, и линии тонкие; в плотном газе столкновения происходят часто, и линии уширяются). Наблюдая планету под разными фазовыми углами и измеряя ее поляризацию, можно измерить характерный размер частиц облаков и показатель преломления вещества, из которого состоят облака, а также форму частиц. Если частицы круглые – значит, они жидкие, а если угловатые – значит, твердые Помню, на меня произвело сильное впечатление то, как по наблюдениям Венеры при разных фазовых углах в 50-е годы удалось правильно определить характерный размер частиц в облаках Венеры и их состав – 80% раствор серной кислоты. Еще до всех спускаемых аппаратов! Микроволновое излучение приходит с большой глубины, поэтому измеряя его, можно заглянуть достаточно глубоко в атмосферу – на уровень давлений в десятки бар.
Короче, спутать мини-нептун и аналог Земли и сейчас надо постараться, а уж в прекрасном будущем, где возможны межзвездные перелеты – и подавно.

[Valenock]

Фильм "Интерстеллар" – ненаучная фантастика.

Вы умеете обходиться без нецензурных выражений.

[Rattus]

Комментарий модератора раздела

Оффтоп вынесен в отдельную тему соответствующего раздела: https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,206947.0.html vasanov получает 20% предупреждений по п.3.1.д Правил Форума