проекты учащихся
проект по астрономии (9 класс)

V Республиканская научно-практическая конференция                 исследовательских и проектных работ обучающихся

«Гагаринские чтения  2021»  по физике и астрономии

                                      Проектная работа на тему:
        Экзопланеты,  как уникальное астрономическое открытие

        Выполнили: Козлов Егор Александрович, Малышев Никита Вячеславович, 9А класс
        Руководитель: Осипова Марина Владимировна,

учитель физики.



        Муниципальное бюджетное образовательное учреждение

«Зубово – Полянская гимназия»

                                                       Зубова Поляна

                                                           2021 год

                                               Содержание

Введение

1. Теоретическая часть

1.1 Экзопланеты? А что это?

     1.2  История открытия экзопланет

1.3 Классификация экзопланет

2. Практическая часть (анкетирование, тест)

 Заключение

Список используемой литературы

                                                        Введение
     Мы считаем, что земная цивилизация не единственная во Вселенной. Их бесконечное множество. Если древние люди считали Землю центром Вселенной, то сегодня космологи вопрос об уникальности планеты Земля предлагают разделить на несколько: имеются ли планеты вне Солнечной системы?; существуют ли планетные системы, аналогичные солнечной?; существуют ли «землеподобные» планеты? Одной из важных задач астрономии является достижение понимания процесса образования планетных систем вокруг той или иной звезды. Уже очевидно, что образование планет – не столь редкое явление.  Установление размеров «новых» планет, определение их орбит и т.п. - это необходимо для уяснения процесса зарождения планет из пылевых дисков, окружающих звезды. Именно они и поставляют материал для формирования планет. В целом обнаружение экзопланет стало одним из крупнейших достижений 20-го столетия. Стало очевидным: Солнечная система не уникальна. Учитывая, что в нашей Галактике порядка 150 миллиардов звезд, вполне возможно, что у половины из них могут быть планеты.

Актуальность темы исследования обусловлена тем, что в современном мире наука астрономия не стоит на месте, ученые с помощью космических телескопов изучают звезды вне Солнечной системы и их свойства, в надежде обнаружить жизнь на других планетах.
Методы исследования:
изучение литературы и других источников информации (интернет-источников); опрос (анкетирование, тестирование); анализ (систематизация) полученных данных.

   
                                       1. Теоретическая  часть

1.1  Экзопланеты? А что это?

       Иные планеты, не принадлежащие Солнечной системе, в литературе окрестили экзопланетами. Греческая приставка «экзо» означает «вне», «снаружи». Есть и альтернативное название таких планет – внесолнечная планета (extra solar planet). Предполагается, что эти планеты имеют состав, сходный с таковым у планет земной группы. Вместе со звездой одна или несколько экзопланет составляют Солнечную систему, подобную нашей. Расстояние от ближайшей планеты до принимающей звезды может быть больше или меньше, чем у Меркурия, а дальние планеты могут располагаться дальше Сатурна и Плутона и быть больше Юпитера — так или иначе, экзопланета, одна или несколько образуют со своей звездой Солнечную систему.

   Звезды наблюдаются с помощью телескопов, соединенных с компьютером, который управляет процессом согласно созданной для этой цели программе. Регистрируется электромагнитное излучение, испускаемое каждой из наблюдаемых звезд, которое затем анализируется для установления наличия отклонений в их спектре. Например, о присутствии планеты, если наблюдение ведется в видимой части спектра, т.е. фиксируется световой поток, может сигнализировать внезапное увеличение яркости изображения звезды. Причина такого явления может быть связана с гравитационным воздействием планеты на лучи света, исходящие от «Солнца». Когда она проходит между своим «солнцем» и направлением, в котором находится Земля, тяготение планеты, подобно линзе, собирает его лучи.

      В 2006 году была запущена первая космическая миссия, посвященная экзопланетным исследованиям, — миссия под названием CoRoT. В течение нескольких месяцев после запуска CoRoT обнаружил свою первую планету, горячий юпитер, вращающийся вокруг звезды, подобной Солнцу. В следующие несколько лет CoRoT поставил экзопланетные исследования из космоса на устойчивую основу с постоянным обнаружением необычных планет. Когда в 2009 году была запущена миссия НАСА «Кеплер», число известных планет начало расти. «Кеплер» — космическая обсерватория НАСА, орбитальный телескоп. К концу 2019 года было найдено и подтверждено более 4 000 экзопланет. Некоторые из них массивны, как Юпитер, но находятся на орбите гораздо ближе к своей звезде, чем Меркурий к нашему Солнцу. Другие экзопланеты — скалистые или ледяные, а у многих просто нет аналогов в нашей Солнечной системе.

    По большей части экзопланеты состоят из тех же самых элементов, которые составляют планеты в нашей солнечной системе, хотя с различными балансами состава, которые придают каждой экзопланете свои отличительные качества.

                              1.2   История открытия экзопланет

     Возможность существования экзопланет обсуждается достаточно давно. В 1916 году американский астроном Эдуард Барнард предположил, что он открыл планету, влияющую на движение звезды, названной позже в честь первооткрывателя звездой Барнарда. Впоследствии выяснилось, что эта звезда находится на втором месте по удалённости от Солнца после системы Альфа Кентавра, но планеты у нее все же не оказалось. Первые первооткрыватели экзопланет - польский радиоастроном Александр Вольшан и американский радиоастроном Дейл Фрайль. Они  в апреле 1992 года опубликовали  работу о  новых планетах за пределами Солнечной системы. Первые суперземли, две экзопланеты с массами, в четыре раза превышающими массу Земли, были обнаружены на орбите вокруг пульсара PSR B1257+12.  Открытие первой «настоящей» экзопланеты датируется 1995 годом. В основе открытия – математическая обработка компьютером полученных с помощью телескопа данных наблюдения за движением и светимостью звезды. Оно было сделано астрономами Женевской обсерватории, которые измеряли скорости движения 142 звезд, похожих по своим характеристикам на Солнце и находящихся в «близи» Земли. В результате выяснилось: звезда 51 в созвездии Пегаса, удаленная от Солнца на 50 световых лет, испытывает периодические «покачивания», обусловленные наличием у нее планеты-гиганта. Расстояние между планетой и звездой в 20 раз меньше, чем от Земли до Солнца. Планета мчится с бешенной скоростью, обегая звезду за 4 дня. Из-за близости к звезде поверхность планеты должна быть нагрета до 700 градусов по Цельсию, так сказать, «Горячий Юпитер»! Обнаружились и другие системы, в которых планеты-гиганты образовались очень близко к своей звезде и подобны первооткрывательнице этого списка. Для их обозначения в обиход вошел термин «горячий Юпитер». К 2006 году обнаружено уже свыше 150 таких «горячих Юпитеров».

      В 2003 году с помощью орбитального телескопа «Хаббл» в созвездии Скорпиона была обнаружена планета, которую можно считать самой древней из известных на сегодняшний день в Млечном Пути. Ее возраст оценивается в 13 миллиардов лет, т.е. она почти втрое старше Земли, которая сформировалась около 4.5 млрд. лет назад. Планету назвали «Мафусаилом» - в честь библейского патриарха, прожившего 969 лет. Это такой же невероятный для человека возраст, как и возраст 13 млрд. лет для планеты. Большая часть известных экзопланет имеет приблизительно тот же возраст, что и Земля. С точки зрения современной теории развития Вселенной, существует временной порог образования планет, содержащих тяжелые элементы. В первом поколении звезд тяжелых элементов не было, только водород и немного гелия. По мере того, как звезды, израсходовав свое газовое «топливо», взрывались, их остатки разлетались во всех направлениях, попадая на поверхности соседних звезд. В результате реакций термоядерного синтеза образовывались новые, тоже тяжелые, элементы. «Мафусаил», предположительно, из легких элементов, так как его формирование произошло в те времена, когда во Вселенной не существовало углерода и водорода. Планета обращается вокруг красной звездной системы, состоящей из двух звезд в шаровом скоплении М4, которое находится на расстоянии в 5600 световых лет от Земли. Ее масса в 2,5 раза больше массы Юпитера.

        В августе 2004 года  группа португальских ученых, работающих в обсерватории Ла Силья в Чили обнаружила в  созвездии Жертвенника   планету, которая, по мнению исследователей, не является газовым гигантом и имеет твердую поверхность. Планета делает оборот вокруг своего светила за 9.55 суток и находится от него на расстоянии 13 миллионов километров, т.е. вдесятеро меньшим, чем Земля от Солнца. Масса ее оценивается приблизительно в 14 масс Земли, по размеру она соответствует примерно Урану. Планета официально пока безымянная, но ее уже окрестили Суперземлей. Из-за того, что она расположена близко к звезде, температура на поверхности оценивается в 650 градусов по Цельсию, что слишком много для возможности возникновения любой из известных жизненных форм. Ее скорее можно рассматривать как гигантский аналог Меркурия.

      Астрономы предположили, что суперземли могут быть более геологически активными, чем наша планета, и испытывать более энергичную тектонику из-за более тонких плит, которые находятся под большим напряжением. Те, кто занят поиском инопланетной жизни, в восторге от суперземель из-за возможности того, что они могут быть каменистыми и, возможно, обитаемыми, в отличие от газовых гигантов.

С тех пор число открытых экзопланет превысило 4000. Большинство из них были открыты используемым НАСА космическим телескопом Кеплера, который закончил свою работу в конце 2018 года, из-за истощения всего своего топлива. Этот телескоп внес значительный вклад в исследование экзопланет.

                   1.3  Классификация экзопланет

       Существует четыре первичные классификации экзопланет, включая нептуноподобные миры, миры с планетами, похожие на горячий Юпитер, миры с суперземлями и миры с планетами-аналогами Земли. Некоторые превосходят нашу планету по массе и размерам, другие – по составу и атмосферным реакция, а третьи – могут и не отличаться ни тем, ни другим от нашей Земли!  

     Мини-нептун — газовый карлик, на котором жидкий океан окружен густой атмосферой водорода и гелия и небольшим скалистым ядром. Мини-нептуны, которых все считали газовыми планетами, могут быть суперземлями со скалистым ядром, которое окружено водой в сверхкритическом состоянии. Такое состояние вода принимает при очень высоких давлениях и температурах.

     Планеты по своим размерам и массой между Землей и Нептуном не существуют в нашей Солнечной системе, но они, кажется, распространены в других частях Вселенной. Они представляют собой нечто среднее между каменистыми планетами нашей солнечной системы и ее ледяными гигантами. Горячие юпитеры — это газовые планеты-гиганты с периодом обращения менее 10 дней. Короткий период означает, что горячие юпитеры очень близки к своим звездам-хозяевам. Обычно они находятся на расстоянии обычно менее 0,1 астрономических единиц, что составляет одну десятую расстояния от Земли до Солнца.  Гигантские планеты, называемые горячими юпитерами, могут образовываться в месте, близком к их звездам, и оставаться там на протяжении всей своей жизни, не испаряясь. Исследование таких «горячих Юпитеров» имеет непосредственное отношение к проверке одной из моделей возникновения малых твердых планет, подобных Земле. Возможно, что наша планета в начальный момент формирования Солнечной системы также была подобием газового гиганта с размерами даже больше Юпитера, но с меньшей плотностью. «Солнечный ветер», возникший в момент, когда в ходе эволюции в ядре молодого Солнца начались интенсивные ядерные реакции, постепенно срывал внешнюю газовую оболочку с Земли и ближайших к ней планет. Земля и планеты земной группы (Меркурий, Марс, Венера) сформировались затем из остатков твердых ядер. Часть их вещества была поглощена нынешними планетами-гигантами, а из оставшегося сформировались многочисленные астероиды и кометы. Космический телескоп «Хаббл» установил, что спектры излучения трех наиболее удленных от нас квазаров, показывают явное наличие большого количества железа. Астрофизикам известно, что железо появляется в результате специфических звездных процессов, заканчивающихся взрывом сверхновых, которые являются поставщиками тяжелых элементов. Такой период звездной эволюции оценивается в 500-800 млн. лет. Квазары, в спектрах которых обнаружено излучение атомов железа, имеют возраст  900 млн. лет. Этот результат означает, что основные компоненты для образования планет и возможной жизни на них присутствовали очень рано в истории Вселенной – намного раньше, чем возникла Земля. Но всего лишь пять процентов звезд, подобных Солнцу, как показывают подсчеты, могут иметь планеты, аналогичные Земле.

                                          2. Практическая часть

В нашей школе два девятых класса. Мы провели анкетирование среди них на тему, что им известно об экзопланетах. В опросе участвовало 37 человек. Вопросы были такого содержания:

1. Слышали ли вы такой термин, как «экзопланета»?

2. Что такое экопланета?

3. Где находятся экопланеты?

4. Зачем ученые  и астрономы ищут экзопланеты  на просторах Вселенной?

5. Знаете ли вы, что на экзопланете может существовать жизнь?

6. Как ученые получают информацию о новых планетах, находящихся  вне Солнечной системы?

Результаты:  на какие- то вопросы ученики затруднялись ответить; 68 % опрошенных  не слышали термин «экзопланета», следовательно, они не могут дать и определение этому термину; учащиеся показали хорошие знания о строении Солнечной системы, поэтому 81% опрошенных сказали, что вероятнее всего, экзопланеты находятся за пределами Солнечной системы; 63%  ответили, что ученые открывают новые планеты для того, чтобы узнать что- то новое; 15% - чтобы найти жизнь во Вселенной;   42 % знают о телескопах; 1% слышали о телескопе «Хаббл».

Также мы составили тест по нашей теме. Он находится в презентации.
                       

                                                     Заключение.

      Мы знаем только одну планету, на которой есть жизнь — Земля. И на нашей планете вода является важнейшим компонентом жизни.  В то время как астрономы до сих пор не уверены, есть ли жизнь на других планетах, они сужают поиск потенциально обитаемых миров, используя несколько критериев. Поскольку наша концепция жизни — Земля, астрономы ищут планеты с характеристиками, подобными ей. Такими, например, как жидкая вода. Но небесный объект может вращаться только так близко (как Меркурий) или так далеко (как Плутон) от своей звезды, что вода прежде испарится или замерзнет на его поверхности, чем там сможет образоваться жизнь. Зона обитаемости — это диапазон расстояний с правильными температурами, чтобы вода на планете оставалась жидкой. Ученые надеются, что такие открытия в зоне обитаемости, как планеты размером с Землю Кеплер-186f, приведут нас к воде — и однажды к инопланетной жизни. Если где и можно найти жизнь, то, скорее всего, это будут экзопланеты в зоне обитаемости. Изучение разнообразного спектра экзопланет и планетных систем, которые были обнаружены на сегодняшний день — от малых до больших, от тех, которые кажутся земными, до глубоко причудливых — не только помогает нам узнать о том, как эти конкретные системы формировались и развивались, но и предоставляет важные подсказки к пониманию того, может ли и где существовать жизнь где-либо еще во Вселенной.
     Мы узнали, как можно больше об экзопланетах и достигли своей цели – познакомили своих одноклассников с этим интересным явлением.

 
                     Список используемой литературы:
1. Экзопланета // Сайт «Академик»
2. Экзопланеты // Сайт «Light Science»
3. Экзопланета // Сайт «Википедия»
4. Классификация экзопланет по Сударскому // Сайт «Автор24»
5. Экзопланеты // Сайт «Astro – obzor»
6. Экзопланеты // Сайт «v-kosmose»