Экзопланетами, или внесолнечными планетами, называются планеты, обращающиеся вокруг звезд, не являющихся Солнцем.
Основное отличие планет от звезд — отсутствие термоядерных реакций в их недрах. Расчеты и наблюдения показывают, что если масса космического тела не превышает 13 масс Юпитера, то в его недрах температура и давление никогда не достигнут таких значений, чтобы стали возможными термоядерные реакции. Это и есть верхняя граница массы планет. Если же масса газового шара окажется немного выше этого предела, то в его центре температура на некотором этапе эволюции превысит миллион градусов и начнутся самые низкотемпературные ядерные реакции с участием дейтерия, лития и бора. Такие объекты называют коричневыми карликами; их обнаружено уже немало. Если же масса тела превышает 60–80 масс Юпитера (это примерно 7% массы Солнца), в его недрах возможно термоядерное горение обычного водорода; такое тело называют звездой. У планет имеются свои, не термоядерные источники энергии, такие, как распад радиоактивных элементов и гравитационное сжатие. Например, Юпитер излучает заметно больше энергии, чем получает от Солнца, но звездой при этом не является.
Со стороны малых значений параметров наблюдаемые планеты ограничены размером 500–1000 км и массой порядка 1% массы Луны. У тел меньшей массы сила тяготения так слаба, что не может преодолеть твердость вещества и обеспечить телу шарообразную форму, характерную для планет. У таких тел нет атмосферы и геологической активности, поэтому их и не считают планетами.
Уже открыты планеты, близкие по размеру и массе к Земле. Интересно, что большинство найденных планет-гигантов располагаются не далеко от звезды, как в Солнечной системе, а близко к ней — часто на расстоянии, соответствующем орбите Венеры или Меркурия, а иногда и еще ближе. Более того, планеты нередко имеют вытянутые орбиты, в то время как в Солнечной системе они очень близки к окружностям. Число открытых планет возрастает на несколько десятков в год. На вторую половину ноября 2018 г. достоверно подтверждено существование 3889 экзопланет в 2900 планетных системах, из которых в 645 имеется более одной планеты.
Больше всего затрудняют поиск иных планетных систем гигантские расстояния до них. Так, расстояние до ближайшей к Солнцу звезды в 270 тыс. раз превышает расстояние от Земли до Солнца — астрономическую единицу (а. е.). Если бы у самых близких к Солнцу звезд были такие же планеты, как в Солнечной системе, и они так же освещались бы лучами своих солнц, то даже планета величиной с Юпитер выглядела бы с Земли слабой звездочкой 22–24-й звездной величины. Наблюдения столь слабых источников доступны крупным телескопам, но в данном случае их излучение тонуло бы в свете рядом расположенной звезды, яркость которой в сотни миллионов раз выше, чем у планет. Тем не менее, разработано несколько методов поиска планет у сравнительно близких звезд.
Первый метод — астрометрический. Он основан на изменении собственного движения звезды под гравитационным воздействием планеты однако колебания звезды, вызываемые планетой, очень малы, и их трудно измерить. Первое надежное астрометрическое обнаружение экзопланеты состоялось лишь в 2009 г.
Второй метод — прямое выделение их слабого оптического излучения. Первый результат по нему был опубликован в 1995 г.
Третий метод — это слежение за переменностью блеска большого количества звезд в течение долгого времени с целью уловить у некоторых из них характерное изменение яркости, выдающее присутствие планеты. Планета может влиять на яркость звезды благодаря гравитационному микролинзированию (так открыто более 10 экзопланет) или проходя на фоне звезды (так обнаружено около 200 экзопланет).
Также экзопланету можно найти с помощью метода Доплера, при котором отслеживают изменение скорости звезды с точностью до нескольких метров в секунду. Притяжение планеты вызывает периодические изменения скорости звезды. Чем массивнее планета и чем ближе она к звезде, тем больше будет амплитуда этих изменений. Измерение скоростей основано на эффекте Доплера: движение источника света вызывает изменение частоты электромагнитных волн, принятых наблюдателем, т. е. приводит к сдвигу спектральных линий.
Экзопланеты небольшой массы могут существовать не только у обычных звезд, а также у нейтронных, переживших стадию красного гиганта и, предположительно, взрыв сверхновой. Такие экзопланеты были найдены у нескольких нейтронных звезд, наблюдающихся как пульсирующие радиоисточники — пульсары. В спектрах этих компактных звезд нет спектральных линий, более того, за редким исключением пульсары вообще не видны в оптическом диапазоне. Но излучаемые ими радиоимпульсы имеют настолько строгую периодичность, что для них также можно использовать эффект Доплера: частота следования импульсов меняется по тому же закону, что и частота световых волн.
Регистрируя моменты прихода радиоимпульсов, за месяцы или годы наблюдений можно отследить изменение лучевой скорости пульсара во много раз точнее, чем скорости обычной звезды оптическими методами, а следовательно, открыть планеты меньших масс, если они присутствуют в системе пульсара.
Первое сообщение об открытии планетной системы вокруг пульсара появилось в 1992 г. Его сделал американский радиоастроном А. Вольжан. Две из трех планет, наблюдавшихся у пульсара PSR 1257+12, по массе в три с половиной раза превосходили Землю и располагались на расстояниях 0,36 и 0,47 а. е. от пульсара, а третья — с массой лишь немногим больше массы Луны — имела радиус орбиты 0,19 а. е. Позднее было найдено еще несколько пульсаров с планетами, но массы планет, как и радиусы их орбит, оказались уже не столь малы, как в первой открытой системе.