Большинство известных на сегодня экзопланет открыты при помощи одного из двух методов – либо транзитной фотометрии, либо радиальной скорости. Метод транзитной фотометрии опирается на то, что, когда мы смотрим с Земли, как планета пересекает диск своей звезды (это называется транзит), наблюдаемое излучение звезды слегка меркнет, обычно примерно на процент. Измерения радиальной скорости основаны на физике двух тел, вращающихся вокруг общего центра масс. Звезда, вокруг которой вращаются планеты, не статична – на самом деле и звезда, и планета вращаются вокруг общего центра масс, и эту систему удерживает сила гравитации. А значит, что, если мы смотрим на орбиту не в точности с полюса, мы заметим, что звезда периодически чуть-чуть сдвигается под воздействием гравитации планеты (поскольку масса звезды, как правило, значительно больше массы планеты) то в сторону планеты, то от нее. Радиальную скорость этого движения (то есть скорость вдоль луча зрения) можно вычислить по периодическому смещению спектральных линий звезды. Это смещение называется эффектом Доплера: когда звезда движется на нас, световые волны сжимаются и поэтому слегка смещаются в синюю сторону спектра, а когда от нас – растягиваются и смещаются в красную сторону. Естественно, обнаружить планету при помощи измерения радиальной скорости тем проще, чем больше отношение массы планеты к массе звезды: тогда гравитация планеты действует на звезду сильнее, а следовательно, заметнее и красное, и синее смещение спектральных линий звезды. Подчеркнем, что радиальная скорость, которую измеряют астрономы, – это проекция скорости звезды вдоль луча зрения. Измерить полную скорость можно, только если смотреть на орбиту, так сказать, точно с ребра. А следовательно, когда мы принимаем в расчет один из законов движения планет, которые открыл в XVII веке астроном Иоганн Кеплер, измерения радиальной скорости дают лишь минимальную оценку массы планеты.

Метод радиальной скорости может определить массу достаточно точно лишь у тех планет, у которых мы наблюдаем транзиты, так как это возможно только когда мы смотрим на орбиту почти с ребра. До 2009 года, когда была запущена Космическая обсерватория имени Кеплера, большинство экзопланет находили методом радиальной скорости. Но с тех пор их обычно находят методом транзита. К концу 2023 года этот метод позволил обнаружить свыше четырех тысяч экзопланет, а метод радиальной скорости – лишь чуть больше тысячи. Формально мы говорим о транзите, когда планета проходит перед своей звездой, если смотреть с Земли – а вообще говоря, когда меньший из двух объектов проходит перед большим. Когда больший объект проходит перед меньшим, мы называем это затмением. Очевидно, мы можем наблюдать транзит не у всех планет, поскольку он происходит только тогда, когда луч зрения наблюдателя проходит через плоскость их эклиптики. Поскольку ориентация планетных орбит относительно нашего луча зрения распределена случайно, легко сообразить, что вероятность наблюдать транзит в звездно-планетной системе примерно задана отношением радиуса звезды к радиусу планетной орбиты, если орбита круглая (или к большой полуоси орбиты, если орбита эллиптическая). Из этого ожидаемо следует, что ближние к звезде планеты с большей вероятностью дают наблюдаемые транзиты. В среднем для планет на ближних орбитах вероятность транзита составляет около 10 %, а с увеличением орбиты она снижается. Поэтому при поиске транзитных экзопланет ученым пришлось просканировать сотни тысяч звезд. Эта титаническая работа привела к открытию тысяч экзопланет. За 9,6 года, проведенных на орбите, миссия «Кеплер» пронаблюдала свыше полумиллиона звезд и обнаружила более 2660 экзопланет.

Степень затемнения при транзите приблизительно равна тому, какую долю площади звездного диска закрывает планета. Поэтому астрономы могут определить радиус экзопланеты по наблюдаемому снижению излучения, так как радиус звезды они обычно знают по ее наблюдаемой светимости и температуре фотосферы. Как мы уже отмечали, при транзите экзопланет геометрия требует наблюдать орбиты практически с ребра. В этом случае радиальная скорость дает массу планеты, а масса и радиус позволяют вычислить ее среднюю плотность, поскольку плотность равна массе, деленной на объем. Знание плотности необходимо для поисков жизни, так как помогает выявить землеподобные каменные планеты вроде Земли и Марса, чья средняя плотность выше, чем у газовых гигантов вроде Юпитера и Сатурна. Любопытно, что наблюдения поразительной системы TRAPPIST-1 из семи планет «земного размера» вокруг красного карлика примерно в 40 световых годах от нас показали, что все эти планеты каменные и их плотность примерно одинакова.

Недостаток транзитного метода состоит в существенном риске ложноположительных результатов. Это возможно по трем основным причинам. Во-первых, существуют системы двойных звезд, затмевающих друг друга, в которых затмевающая звезда, если смотреть с Земли, лишь слегка задевает лимб (внешний край) диска второй звезды, и поэтому излучение падает на лишь совсем небольшую долю, что очень напоминает транзит планеты. Во-вторых, существуют системы двойных звезд, затмевающих друг друга, в которых на луч зрения случайно попадает третья звезда, и от этого снижение потока излучения кажется меньше, чем на самом деле, что опять же очень напоминает транзит планеты. В-третьих, размеры белых карликов, плотных остаточных ядер звезд вроде Солнца, примерно такие же, как и у планет, поэтому они дают такое же затемнение, как и гигантские экзопланеты (и коричневые карлики – недозвезды, которым не удалось запустить в своем ядре ядерные реакции со сжиганием водорода). Во всех этих случаях астрономам требуются дополнительные наблюдательные данные, чтобы отсеять ложноположительные результаты.

Существуют и другие методы обнаружения экзопланет – скажем, гравитационное микролинзирование: гравитационные поля звезды и ее планеты усиливают проходящий через планетную систему свет далекой звезды и придают ему характерную кривую блеска. К концу 2023 года таким способом удалось открыть более двухсот экзопланет. Другой метод – сверхточная астрометрия: точное наблюдение крошечных изменений положения звезды на небе при колебаниях вокруг центра масс из-за присутствия планеты, но пока что этим методом открыли всего две-три экзопланеты. В будущем наверняка появятся телескопы, которые позволят находить гораздо больше экзопланет методом прямого изображения – мы будем регистрировать тепловое излучение самих планет. Существующие технологии позволили к концу 2023 года открыть таким способом около 70 экзопланет. Интересен и метод хронометрирования пульсаров: измеряются аномальные промежутки между наблюдаемыми радиоимпульсами вращающихся нейтронных звезд, вокруг которых обращаются планеты. Благодаря этому методу было открыто более полудесятка таких необычных планет.

Однако, как мы уже подчеркивали, в первую очередь нас интересуют методы, которые могут привести к обнаружению признаков жизни, и с появлением следующего поколения больших телескопов самым мощным инструментом станут прямые изображения. Например, космические телескопы, оснащенные коронографами, смогут избирательно блокировать свет центральной звезды в планетной системе, подобно тому, как вы рукой прикрываете глаза от яркого солнца, и таким образом получать изображения планет. Есть и проекты, предусматривающие установку в космосе – между наблюдаемой звездой и космическим телескопом – особых ширм, прикрывающих телескоп от слепящего света звезд.

Открытие экзопланет – лишь первый шаг. Главная цель – определить, какие из них пригодны для обитания, а еще лучше – понять, есть ли среди экзопланет и в самом деле обитаемые.