XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

ИЗУЧЕНИЕ ВНЕСОЛНЕЧНЫХ МНОГОПЛАНЕТНЫХ СИСТЕМ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Гурина К.В. 1

---

1ОГАОУ Гимназия №2

Рибенек В.А. 1

---

1Ульяновский государственный университет

Работа в формате PDF

487.9 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Экзопланеты   — это планеты, вращающиеся вокруг других звезд за пределами нашей Солнечной системы. Они имеют огромное разнообразие по физическим свойствам и по параметрам (масса, размеры, периоды вращения и т.д.)  —  от землеподобных миров до ледяных гигантов и «адских планет» с жесточайшими температурами. На сегодняшний день мы имеем сведения примерно о 4000  подтвержденных экзопланетах [9, 12]. Сведения об их параметрах можно взять с сайта  allplanets.ru (пример в ПРИЛОЖЕНИИ 1).

Цель проекта: используя сайт allplanets.ru, провести сравнение много-планетных внесолнечных систем между собой и с Солнечной системой (СС) по размерам и массам планет, по их расположению относительно звезды и найти сходство и различия между ними.

Задачи:

Изучить классы экзопланет, провести их сравнение на выявление видов экзоплапнет, на которых возможно обнаружение жизни.

Изучить многопланетные системы (от 5-и до 9-и планет) нашей галактики, включая Солнечную систему (СС), провести сравнение распределений планет по их расположению относительно материнских звезд с учётом их масс (или размеров) методом графических построений распределений с использованием программы Excel.

Изучить и построить графические ранговые распределения планет в их системах по массам (размерам) методом ранжирования в порядке убывания изучаемого параметра с использованием программы Excel. Провести сравнение графических ранговых распределений между собой и с СС.

Актуальность проекта заключается:

- в расширении познаний космоса и формировании современной научной астрономической картины Мира у учащихся;

- в получении знаний о разнообразии планетных систем и их общих характеристиках;

- в необходимости поиска внесолнечной планетной системы, пригодной для жизни с целью возможного переселения на неё будущих потомков-землян

Методики исследований.

Сравнение, анализ, синтез, аналогия – в изучении разнообразия известных классов экзопланет по физическим и химическим характеристикам.

Ранжирование экзопланет планет во внесолнечных системах по массам, размерам, построение графиков ранговых распределений (РР) экзопланет в порядке убывания рассматриваемого параметра и по расположению относительно центрального светила [4,11].

Использование компьютерных технологий.

Анализ полученных графических распределений экзопланет .

Гипотеза:

1). Если в нашей СС планеты отличаются большим разнообразием по размерам, физическим характеристикам, массе — от 380 М_з (Юпитер) до 0,002 М_з (Плутон), следовательно, другие многопланетные системы должны обладать подобным разнообразием. (М_з — масса Земли).

2). Если в нашей СС существует разумная жизнь только на одной планете из девяти, следовательно, наличие жизни даже в многопланетной системе – редкое явление. Значит, землеподобные планеты, на которых возможна жизнь в той форме, в которой она существует на Земле, наиболее вероятно обнаружить в многопланетных системах (из 5-9 планет). Следовательно, в первую очередь, необходимо изучать многопланетные системы.

Личный вклад в исследовании заключается в построении графических ранговых распределений планет в 10 внесолнечных планетных системах с использованием программы Excel: 1) в порядке удаления от звезды с учётом их массы или размеров; 2) в порядке уменьшения массы или размеров планет (без учёта их расположения относительно звезды). Результаты позволили выявить сходство и различия в полученных ранговых распределениях, что несколько расширило представление о современной астрономической картине мира.

1. Классы экзопланет

Экзопланеты группируются в виды — классы по их общим свойствам. В основе классификации лежит какой либо общий признак, свойство. По физическим свойствам (характеристикам) экзопланеты делятся на следующие виды (классы) [1, 5, 6, 12].

1. Планеты-земли (или террестрические планеты), это планеты, подобные нашей Земле. Они —самый вероятный кандидаты на наличие жизни, в случае, если они находятся в благоприятной зоне ( зоне жизни) вокруг звезды. Их диаметр должен быть соизмерим с диаметром Земли, они должны иметь сушу из скальных пород и плотность примерно в 5 раз выше, чем плотность воды, а также достаточный поток лучистой энергии от своей звезды.

2. Супер-земли. Эти планеты примерно в десяток раз больше нашей Земли, но имеют скальные породы и сушу, чем похожи на нее. Есть ли на таких планетах жизнь - зависит от их состава атмосферы и местонахождения планеты относительно зоны обитания звезды. Пример такой планеты -— COROT-7 b.

3. Водные миры. Они полностью покрыты водой, такими могут быть как небольшие планеты, так и Супер -Земли.

4. Газовые гиганты-холодные Юпитеры. Газовые гиганты бывают газовыми, как Юпитер или Сатурн, или ледяными как Уран или Нептун. Ледяные - не означает, что они состоят из льда, это значит, они имеют очень низкую температуру и состоят из водорода, гелия, метана и аммиака. Среди них встречаются планеты, которые имеют массу в 13-80 раз превышающую массу Юпитера (M_ю). Это субзвездные объекты - коричневые карлики, тела, которые не дотянули до размеров настоящей звезды и недостаточно массивны, чтобы поддерживать внутри ядерный синтез в отличие от звезд. По массе они находятся между планетами газовых гигантов и наименее массивными звездами. Температура их поверхности не превышает 2800 K.

5. Горячие Юпитеры. Горячими Юпитерами называют газовых гигантов, по массе сравнимых с Юпитером, но имеющими высокие температуры - сотни градусов. Они часто очень близки к своей звезде и их год длится несколько земных дней. Они двигаются почти по идеально круглой орбите. Одна из таких загадочных планет - OGLE-TR-56 проходит весь путь вокруг звезды за 1,2 дня и находится на расстоянии от нее всего лишь 6000 км.

6. Хтонические планеты, «хтонийские», «хтонские» (Chthonian Planet) - планеты-гиганты с каменистой или металлической поверхностью.

Это бывшие Горячие Юпитеры, которые потеряли атмосферу и имеют только твердое ядро.Такой атмосферный отрыв является вероятным результатом близости к звезде. В остальном скалистая или металлическая основа поверхности напоминает планеты земного типа.

7. Горячие Нептуны. Сравнимы по размерам с Нептуном и Ураном, но имеющие высокую температуру поверхности (более 600 С)

8. Планеты-океаны. Это гигантские планеты, покрытые водой или льдом.

2. Землеподобные планеты в зоне жизни

Землеподобные планеты – планеты, по размерам похожие на Землю и имеющие твёрдую сушу – скальные породы. Обзор планетных систем на сайте allplanets.ru показал, что большинство из них – однопланетные и двухпланетные системы [12]. В нашей СС из 9 планет (включая Плутон) – 4 землеподобные планеты: Меркурий, Венера, Земля, Марс, и только на одной из них возникла разумная жизнь.

Планеты, пригодные для жизни входят в зону обитаемости или зону жизни в своей планетной системе. Зона жизни - это область в космическом пространстве, находящаяся от звезды на расстоянии с наиболее благоприятными условиями для жизни на планетах . Условия определяются такими факторами, как плотность и состав атмосферы, наличие жидкой воды и определенных химических элементов[2, 3].  Такая зона находится на определённой оптимальной орбитальной дистанции от звезды, которая позволяет иметь на планете в этой зоне  температуру и уровень освещения, при которых вода может находиться в жидком состоянии.Если планета находится слишком далеко от своей звезды, то вода замерзает, если слишком близко, то вода испаряется.

Наше Солнце вместе с планетами образовалась 4,5 миллиарда лет назад, при этом из них 4 планеты Земной группы (рис. 1) [2, 3, 6]. Три из них вращаются на орбитах в зоне обитаемости Солнечной системы: Венера, Земля, Марс.

На самом «горячем» ее краю находится Венера, в центре зоны жизни - Земля, а ближе к «холодному» краю – Марс. Первая – планета Меркурий – находится слишком близко к Солнцу и в зону обитаемости не входит. На сегодняшний день считается, что Марс ушел из зоны жизни пару миллиардов лет назад. На Венере жизнь уничтожил парниковый эффект [10].  Лишь на одной из трёх есть жизнь. На остальных планетах СС присутствие жидкой воды не возможно .

Среди экзопланет этим требованиям отвечает, например, планета Gliese 581 g (Глизе 581 g) в 5-планетной внесолнечной системе в созвездии Весов, вращающаяся вокруг красного карлика, температура поверхности которого – 3400 К (температура поверхности Солнца – 5800 К), масса = 1/3 массы Солнца, его светимость составляет 1% от светимости Солнца. Диаметр планеты - около 1,2 - 1,4 диаметров Земли. Масса её в три раза больше массы Земли и вращается она вокруг звезды прямо в центре «потенциально обитаемой зоны». с оборотом в 37 дней [12]. Она преимущественно составлена из скал и обладает достаточной гравитацией, чтобы удержать атмосферу. Система красного карлика Глизе 581 содержит еще 4 планеты, но они менее изучены.

Эта землеподобная планета вращается вокруг своей оси с той же скоростью, что и вокруг звезды. Вследствие этого, одна сторона планеты смотрит на звезду, всегда освещена, но горячая для живых существ, а другая сторона - слишком холодная и находится в состоянии вечной темноты. Наилучшие условия для существования жизни - на границе этих двух площадей, называемой «терминатор».

3. Исследование распределения экзопланет по расположению относительно материнской звезды с учётом их масс и размеров

с использованием программы Excel

Примеры внесолнечных многопланетных систем и их сравнение

На рис. 2 приводятся изображения нескольких планетных систем с сайта allplanets.ru. Солнечная 9-планетная система, включая Плутон - в первом ряду. Сравнение по количеству планет показало: в нашей галактике больше всего однопланетных и двухпланетных систем. В нашей галактике обнаружена пока 1 уникальная планетная система HD 10180в созвездии Гидры из 9 планет, подобная Солнечной Системе (фото во втором ряду).

Ниже изображены некоторые экзопланетные системы:

Кеплер -11

Kepler-154

Рис. 2. Изображения экзопланетных систем с сайта allplanets.ru

(без учёта размеров планет) [12].

Из рисунка видно: разнообразие внесолнечных миров велико. С помощью таблицы-идентификатора (ПРИЛОЖЕНИЕ 2) можно определить, к какому классу относится та или иная планета в своей планетной системе, произвести их сравнение по физическим характеристикам между собой и с СС, а также определить, какие из них подобны Земле. Эта задача входит в планы наших дальнейших исследований. Читатель может проделать это самостоятельно.

На сайте также размещена известная информация о массах, размерах планет и их орбитальных характеристиках.

3.2. Графики распределения экзопланет по массам или размерам относительно их расположения от материнской звезды и их сравнение.

Как распределяются планеты по размерам (массам) относительно звезды ? Графики рис 3 - 5 (а, б), построенные с использованием программы Excel

иллюстрируют эти распределения в различных экзосистемах

а) б )

Рис. 3. Графики распределений масс экзопланет системы Гидры (а) и радиусов планет системы Кеплер-90 (б) по расположению от материнских звёзд; N - номер планеты в порядке её удаления от звезды; М - масса планеты в массах Юпитера, R - радиус планет в радиусах Юпитера.

Мы видим: самые массивные и крупные планеты находятся на границе систем. Однако, это не является закономерностью. Например, в нашей СС и в системе Кеплер-80 (созвездие Лебедь) самые крупные (массивные) планеты-гиганты находятся в средней части своих систем. (рис. 4, а, б) .

а) б)

Рис. 4. Графики распределения планет в порядке удаления от звезды

а) по радиусам в системе Кеплер-80; б) по массам планет в СС.

Рис. 5. Графики распределения масс планет в порядке удаления от звезды

а) в системе Кеплер -11; б) в системе Кеплер -20.

Анализ графиков показывает: отсутствует строгая закономерность расположения планет относительно звезды в зависимости от их размеров или массы. Однако, заметим, что в многопланетных системах планеты-гиганты не располагаются непосредственно вблизи своих звёзд, а находятся либо в средней части, либо ближе к краю системы (рис 5, б), либо на границе системы. Как правило, места вблизи звезды заняты мелкими каменистыми планетами.

Однако, если проранжировать планеты в любой экзопланетной системе в порядке убывания их массы или размеров (диаметра, радиуса), обнаруживается строгая закономерность в их расположении по рангу. Ранг (r) - номер планеты в порядке убывания параметра. Сказанное подтверждают проведённые исследования, результаты которых изложены ниже.

Исследование ранговых распределений экзопланет по массам и размерам в планетных системах в порядке убывания рассматриваемого параметра с использованием программы Excel

и их сравнение

Графики ранговых распределений (РР) масс и размеров планет, построенные с помощью метода ранжирования [4, 11]  - расположения объектов в порядке убывания рассматриваемого параметра приводятся на рис. 6-9, где r- ранговые номера планет в порядке убывания их массы (или размера). При сравнении графиков РР размеров и масс экзопланет в многопланетных внесолнечных системах обнаруживается их аналогия. На графиках представлены примеры таких ранговых распределений для многопланетных систем, включая СС.

Рис. 6/ Графики РР девяти планет по массам M ( r )

в СС (а); в системе Гидры HD 10180 (б); r - ранговый номер планеты.

Коэффициент R² показывает степень соответствия (приближения) эмпирических точек к теоретической кривой. На рис. 7, а мы видим РР по радиусам (массы не известны) восьми планет системы Кеплер-90. Самая крупная планета имеет диаметр, равный диаметру Юпитера. На рис. 4, б для сравнения приведено РР 9-и планет СС по диаметрам в километрах

а) б)

Рис. 7. Графики РР по диаметрам D ( r ) восьми планет системы Кеплер-90 в диаметрах Юпитера (а) и РР планет СС по диаметрам в километрах (б).

Рис.8. Графики РР М (r) масс пяти планет системы 55 Cancri HD 75732 (а);

РР масс шести планет системы Kepler-11 (б)

М – масса планеты в массах Юпитера.

Рис. 9. Графики РР пяти планет по диаметрам D ( r ) системы

Kepler-154 (а) и РР планет по диаметрам системы Кеплер -80 (б) .

Графики распределений по рангу масс планет или размеров планет (в случае, если не известны их массы) иллюстрируют разнообразие экзопланет по массам и размерам. Исследовано всего 10 экзопланетных систем данным методом. Все графические построения свидетельствуют о сходстве их РР по массам и размерам. При этом, убывающий нелинейный вид графиков РР соответствует гиперболическому характеру.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1.

Таблица параметров внесолнечной 9-и планетной системы HD 10180 в созвездии Южной Гидры

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Таблица-идентификатор, позволяющая определять классы планет, входящих в экзопланетную систему.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ТАБЛИЦА -ИДЕНТИФМКАТОР