Доплеровская спектроскопия

Доплеровская спектроскопия (также известная как метод лучевых скоростей или, в просторечии, метод колебаний ) — это косвенный метод обнаружения внесолнечных планет и коричневых карликов по измерениям лучевых скоростей посредством наблюдения доплеровских сдвигов в спектре родительской звезды планеты . .

По состоянию на февраль 2020 г. с помощью доплеровской спектроскопии было обнаружено 880 внесолнечных планет (около 21,0% от общего числа) ^{[2] .}

Отто Струве предложил в 1952 году использовать мощные спектрографы для обнаружения далеких планет. Он описал, как очень большая планета, например, такая же большая, как Юпитер , заставляет свою родительскую звезду слегка колебаться, когда два объекта вращаются вокруг своего центра масс. ^[3] Он предсказал, что небольшое доплеровское смещение света, излучаемого звездой, вызванное ее непрерывно изменяющейся лучевой скоростью, будет обнаруживаться наиболее чувствительными спектрографами как крошечные красные и синие смещения в излучении звезды. Однако технология того времени производила измерения лучевых скоростей с ошибками в 1000  м/с и более, что делало их бесполезными для обнаружения планет на орбитах.^[4] Ожидаемые изменения лучевой скорости очень малы – Юпитер заставляет Солнце изменять скорость примерно на 12,4 м/с в течение 12 лет, а влияние Земли составляет всего 0,1 м/с в течение 1 года – поэтому требуются длительные наблюдения приборами с очень высоким разрешением . ^{[4] [5]}

Достижения в области спектрометрических технологий и методов наблюдения в 1980-х и 1990-х годах позволили создать инструменты, способные обнаружить первую из многих новых внесолнечных планет. Спектрограф ELODIE , установленный в обсерватории Верхнего Прованса на юге Франции в 1993 году, мог измерять сдвиги лучевых скоростей всего на 7 м/с, что достаточно мало, чтобы внеземной наблюдатель мог обнаружить влияние Юпитера на Солнце. ^[6] Используя этот инструмент, астрономы Мишель Майор и Дидье Кело идентифицировали 51 Pegasi b , « Горячий Юпитер » в созвездии Пегаса. ^[7] Хотя планеты ранее были обнаружены на орбитах пульсаров, 51 Pegasi b была первой планетой, когда-либо подтверждено, что она вращается вокруг звезды главной последовательности , и первой планетой, обнаруженной с помощью доплеровской спектроскопии. ^[8]

В ноябре 1995 года ученые опубликовали свои выводы в журнале Nature ; с тех пор статья цитировалась более 1000 раз. С тех пор было идентифицировано более 700 кандидатов в экзопланеты, и большинство из них было обнаружено программами доплеровского поиска, базирующимися в обсерваториях Кека , Лика и Англо-Австралийской обсерватории (соответственно, Калифорнийский, Карнеги и англо-австралийский поиски планет), а команды на базе Женевского поиска внесолнечных планет . ^[9]

Начиная с начала 2000-х годов второе поколение спектрографов для поиска планет позволило проводить гораздо более точные измерения. Спектрограф HARPS , установленный в обсерватории Ла Силья в Чили в 2003 году, может идентифицировать сдвиги лучевой скорости всего на 0,3 м/с, что достаточно для обнаружения многих каменистых планет, подобных Земле. ^[10] Ожидается, что третье поколение спектрографов появится в сети в 2017 году. С погрешностью измерения менее 0,1 м/с эти новые инструменты позволят внеземному наблюдателю обнаружить даже Землю. ^[11]

Диаграмма, показывающая, как меньший объект (например, внесолнечная планета ), вращающийся вокруг более крупного объекта (например, звезды ), может вызывать изменения в положении и скорости последнего, когда они вращаются вокруг своего общего центра масс (красный крест).

Доплеровская спектроскопия обнаруживает периодические сдвиги лучевой скорости, регистрируя изменения цвета света родительской звезды. Когда звезда движется к Земле, ее спектр смещается в синий цвет, а при удалении от нас — в красный. Анализируя эти спектральные сдвиги, астрономы могут вывести гравитационное влияние внесолнечных планет. ^[1]

Открытые экзопланеты по годам (по состоянию на февраль 2014 г.). Те, что были обнаружены с использованием радиальной скорости, показаны черным цветом, а все остальные методы - светло-серым.

Свойства (масса и большая полуось) планет, обнаруженных до 2013 г. с использованием лучевой скорости, в сравнении (светло-серый цвет) с планетами, обнаруженными другими методами.

Слева: изображение звезды, вокруг которой вращается планета. Все движение звезды происходит в пределах прямой видимости зрителя; Доплеровская спектроскопия даст истинное значение массы планеты.
Справа : в этом случае ни одна из звезд не движется вдоль линии обзора наблюдателя, и метод доплеровской спектроскопии вообще не обнаружит планету.