Номер 4, страница 288 - гдз по физике 9 класс учебник Пурышева, Важеевская

Глава 6. Вселенная. Параграф 72. Использование результатов космических исследований в науке, технике и народном хозяйстве. Темы докладов и проектов - номер 4, страница 288.

Условие.

4. Обнаружение и исследование планетных систем.

Решение.

Обнаружение и исследование планетных систем (экзопланетных систем) является одной из самых активных и быстро развивающихся областей современной астрономии. Поскольку экзопланеты – планеты, вращающиеся вокруг других звезд, – чрезвычайно тусклые и находятся очень близко к своим ярким родительским звездам, их прямое наблюдение является крайне сложной задачей. Поэтому астрономы разработали несколько косвенных методов для их обнаружения и изучения. Основные методы обнаружения следующие:

1. Метод радиальных скоростей (метод Доплера)

Этот метод основан на том, что не только планета вращается вокруг звезды, но и звезда совершает небольшие колебания вокруг общего центра масс системы «звезда-планета». Эти колебания приводят к изменению лучевой скорости звезды (скорости вдоль луча зрения наблюдателя). Когда звезда движется к нам, её спектр смещается в синюю сторону (синее смещение), а когда от нас – в красную (красное смещение) из-за эффекта Доплера. Периодически измеряя спектр звезды с высокой точностью, можно зафиксировать эти колебания и определить период обращения планеты и амплитуду колебаний скорости. Этот метод позволяет оценить минимальную массу планеты $m_p \sin i$, где $\text{i}$ – угол наклона орбиты планеты к лучу зрения, и эксцентриситет её орбиты. Метод наиболее эффективен для обнаружения массивных планет, расположенных близко к своим звездам.

Ответ: Метод радиальных скоростей обнаруживает экзопланеты путем измерения периодических доплеровских сдвигов в спектре звезды, вызванных её движением вокруг общего центра масс с планетой. Он позволяет определить период обращения и минимальную массу планеты.

2. Транзитный метод

Если орбита планеты расположена так, что с точки зрения земного наблюдателя она периодически проходит перед диском своей звезды, то мы можем зафиксировать небольшое периодическое падение блеска звезды. Это явление называется транзитом. Глубина падения блеска зависит от отношения площадей дисков планеты и звезды ($ \Delta L / L \approx (R_p/R_*)^2 $), что позволяет определить радиус планеты $R_p$, если известен радиус звезды $R_*$. Период между транзитами соответствует орбитальному периоду планеты. Этот метод оказался чрезвычайно продуктивным благодаря космическим телескопам, таким как «Кеплер» и TESS, которые обнаружили тысячи экзопланет. Если для планеты, найденной транзитным методом, удается измерить и массу методом радиальных скоростей, то можно вычислить её среднюю плотность, что дает представление о её составе (газовая, каменная или ледяная планета).

Ответ: Транзитный метод обнаруживает экзопланеты по периодическому падению блеска звезды, когда планета проходит по её диску. Метод позволяет определить радиус планеты и её орбитальный период.

3. Метод гравитационного микролинзирования

Этот метод основан на предсказаниях общей теории относительности Эйнштейна. Гравитационное поле массивного объекта (звезды-линзы) может искривлять и фокусировать свет от более далекого фонового объекта (звезды-источника). Когда на луче зрения между наблюдателем и далекой звездой оказывается другая звезда, её гравитация действует как линза, вызывая кратковременное, предсказуемое по форме увеличение яркости фоновой звезды. Если у звезды-линзы есть планета, её собственное гравитационное поле вносит дополнительное, более короткое и резкое искажение в кривую блеска. Этот метод уникален тем, что позволяет обнаруживать планеты на больших расстояниях от Солнечной системы, в том числе планеты с малой массой и на широких орбитах, похожих на земную. Однако события микролинзирования уникальны и не повторяются, что затрудняет последующее изучение системы.

Ответ: Метод гравитационного микролинзирования обнаруживает планеты по кратковременному дополнительному увеличению яркости далекой звезды, вызванному гравитацией планеты, которая вместе со своей звездой проходит на луче зрения.

4. Прямое наблюдение (прямая визуализация)

Это наиболее очевидный, но и самый сложный технически метод, заключающийся в получении прямого изображения планеты рядом с её звездой. Основная трудность состоит в том, что звезда в миллионы или миллиарды раз ярче своей планеты, и свет звезды полностью «забивает» слабый свет от планеты. Для решения этой проблемы используются специальные инструменты, такие как коронографы (закрывающие свет от звезды) и системы адаптивной оптики (компенсирующие искажения, вносимые атмосферой Земли). На сегодняшний день этим методом удалось обнаружить несколько десятков экзопланет – как правило, это молодые, горячие и массивные газовые гиганты, находящиеся на большом удалении от своих звезд.

Ответ: Прямое наблюдение – это получение непосредственного изображения экзопланеты. Метод технически сложен из-за огромной разницы в яркости между звездой и планетой и эффективен в основном для крупных планет на широких орбитах.

5. Астрометрический метод

Подобно методу радиальных скоростей, астрометрический метод также основан на наблюдении колебаний звезды вокруг общего центра масс. Однако он регистрирует не изменение скорости звезды вдоль луча зрения, а её видимое смещение на небесной сфере. Астрономы измеряют крошечные периодические изменения положения звезды на небе. Этот метод требует высочайшей точности измерений на протяжении многих лет. С развитием космических обсерваторий, таких как Gaia, этот метод становится всё более перспективным. Его преимущество в том, что он позволяет определить истинную массу планеты, а не только её нижний предел.

Ответ: Астрометрический метод заключается в точном измерении периодических смещений положения звезды на небесной сфере, вызванных гравитационным влиянием планеты, что позволяет определить её истинную массу и параметры орбиты.

Исследование планетных систем

После обнаружения планеты начинается этап её детального исследования. Комбинирование данных, полученных разными методами, позволяет определить ключевые характеристики: массу, радиус, плотность, параметры орбиты. Особый интерес представляет изучение атмосфер экзопланет. Во время транзита свет звезды проходит через атмосферу планеты, и некоторые длины волн поглощаются содержащимися в ней газами. Анализ спектра звезды во время транзита (трансмиссионная спектроскопия) позволяет определить химический состав атмосферы, наличие облаков, температуру и давление. Эти исследования являются ключевыми в поиске планет, потенциально пригодных для жизни.

Ответ: Исследование планетных систем включает определение физических (масса, радиус, плотность) и орбитальных параметров планет, а также изучение состава и свойств их атмосфер, что помогает понять процессы формирования планет и оценить их потенциальную обитаемость.