вернёмся в библиотеку?

Антон ПЕРВУШИН

ЭКЗОПЛАНЕТЫ: УЧЕНЫЕ ОТКРЫВАЮТ НОВЫЕ МИРЫ

В последние дни ленты новостей буквально пестрят сообщениями о сенсационных открытиях астрономов. Получив в свое распоряжение высокотехнологичное оборудование и орбитальные телескопы, созерцатели неба начали давать ответы на вопросы, мучившие их на протяжении веков. И один из этих вопросов — есть ли во Вселенной еще планеты, кроме тех девяти в Солнечной системе, которые уже известны нам?..

ИНОПЛАНЕТНЫЕ СИСТЕМЫ

Пейзажи планеты у пульсара PSR 1257+12 © Lynette R. Cook

Поиски планет у иных звезд (внешних планет, экзопланет) начались задолго до того, как у астрономов появились совершенные средства, позволяющие увидеть «невидимое».

Обычно изучались системы, состоящие из двух объектов. Одним объектом при этом была видимая звезда, вторым объектом — невидимая. Невидимый объект оказывает влияние на движение видимой звезды и тем самым обнаруживает себя. Разными исследователями в разное время изучались более десятка двойных систем. Оказалось, что в большинстве случаев невидимыми компаньонами видимых звезд являются тоже звезды или субзвезды. Но все-таки у двух систем компаньонами звезд, по мнению астрономов, являются самые настоящие планеты.

Одна из этих двух звезд — «летящая» звезда Барнарда, которая имеет очень большую угловую скорость движения. Астроном Ван-де-Камп проанализировал информацию о положении этой звезды более чем за 60 лет, начиная с 1916 года. Тщательный анализ показал, что на 2400 фотопластинках содержатся свидетельства изменения положения звезды, которые повторяются с периодом в 25 лет. Эти изменения могли быть обусловлены только ее обращением вокруг общего центра тяжести всей системы (звезда плюс невидимые для нас планеты). Звезда находится от нас на расстоянии 1,81 парсек. Масса ее невелика и составляет 14% от массы Солнца — поэтому она легко поддается действию на нее планет, в результате чего изменяется ее скорость. Расчеты показывают, что эти изменения в движении вызываются двумя планетами, массы которых составляют 80% и 40% массы Юпитера. Периоды обращения этих планет должны быть равны 11,7 и 26 лет. Впрочем, интерпретация этих данных до сих пор вызывает споры. Создана модель, при которой аналогичное смещение звезды Бернарда могут вызывать три планеты, но с другими характеристиками.

Пейзажи планеты у пульсара PSR B1620-26 © Lynette R. Cook

На основании похожих наблюдений сделали вывод, что планеты имеются и у компонента А двойной звезды 61 Лебедя, находящейся от нас на расстоянии 3,4 парсек. Еще раньше были выдвинуты гипотезы о существовании планет вблизи звезд Проксима Центавра, Крюгep 60A и 70 Змееносца.

Однако настоящая революция в деле поиска планет у иных звезд произошла в начале 1990-х годов.

В 1992 году американские астрономы Апекс Вольштан и Дейл Фрейл с помощью 300-метрового радиотелескопа, расположенного в местечке Аресибо (Пуэрто-Рико) обнаружили в созвездии Девы новый пульсар, получивший в звездном каталоге обозначение RSR 1257+12.

Пульсарами, как известно, называются сверхплотные нейтронные звезды, от которых исходит излучение в виде серии последовательных и очень четких радиоимпульсов. В данном конкретном случае ученые обнаружили довольно старую (возраст ее около миллиарда лет) нейтронную звезду. Вращается она очень быстро, делая 161 оборот в секунду. Причем в серии излучаемых импульсов время от времени наблюдались какие-то сбои. Проанализировав их, астрономы обнаружили двойную периодичность — 66,5 и 98,2 дня. Причиной периодического сбоя радиоимпульсов, по мнению исследователей, являются две планеты, обращающиеся вокруг пульсара и время от времени перекрывающие поток радиосигналов собственными телами.

Кривая радиальной скорости звезды 51 Пегаса — первое подтвержденное открытие экзопланеты.

Планетная система, открытая американцами, не является чем-то уникальным. Татьяна Шибанова, сотрудница ФИАНа имени Лебедева, работая на радиотелескопе в Пущине, обнаружила две планеты у пульсара PSR 0329+54.

Интересное открытие в этом ряду сделали астрономы Харви Ричер и Стейнн Сигурдссон, работающие с орбитальным телескопом «Хаббл». Они обнаружили газообразную и довольно массивную планету у пульсара PSR B1620-26, который находится на расстоянии 1717 парсек от Земли, в звездном скоплении М4. Особенность этой планеты в том, что ее возраст составляет 12,713 миллиардов лет, а значит, она сформировалась почти сразу после Большого Взрыва, в юной Вселенной. Не удивительно поэтому, что и назвали эту невероятную планету по имени библейского патриарха — Мафусаил.

Однако жизни в окрестностях пульсаров, скорее всего, нет. Ведь пульсары представляют собой доживающие свой век звезды, выбрасывающие жесткое радиоизлучение чудовищной силы.

УВИДЕТЬ НЕВИДИМОЕ

В аспекте поиска инопланетных форм жизни куда больший интерес представляют планетные системы у звезд, подобных нашему светилу. Здесь для обнаружения планет чаще всего используется эффект Доплера.

Планета системы 51 Пегаса © Lynette R. Cook

Звезда, имеющая планету, испытывает колебания скорости «к нам — от нас», которые можно измерить, наблюдая доплеровское смещение спектра звезды. На первый взгляд это представляется весьма трудной задачей. Под действием Земли скорость Солнца колеблется на сантиметры в секунду. Под действием Юпитера — на метры в секунду. При этом заметное расширение спектральных линий звезды соответствует разбросу скоростей в тысячи километров в секунду. То есть даже в случае с Юпитером следует измерять смещение спектральных линий на тысячную долю от их ширины! И все же эта задача была блестяще решена.

Новейший метод поиска планет основан на наложении спектра звезды на сильно изрезанный линиями калибровочный спектр. Для калибровки используются пары йода в ячейке, помещаемой перед спектрометром. Температура ячейки поддерживается строго постоянной. Спектрометр выдает суперпозицию двух сильно изрезанных спектров поглощения — звезды и йода. Небольшие смещения спектра звезды приводят к изменениям суперпозиции на всех частотах, что значительно увеличивает точность измерения. В результате удалось получить точность 3 м/с — скорость человека, бегущего трусцой. Сейчас точность инструментов уже приближается к 1 м/с — то есть к скорости идущего человека.

Именно этим методом воспользовались швейцарские астрономы Мишель Майор и Диди Килоз, обнаружив изменение спектра у звезды 51 Пегаса, очень похожей на наше светило и находящейся от нас на расстоянии 14,7 парсек. Расчеты показали, что периодические изменения радиальной скорости имеют амплитуду 120 м/с и, скорее всего, вызваны планетой, имеющей массу, вдвое меньшую, чем Юпитер. Вращается эта планета очень близко от своей звезды — на расстоянии всего 0,05 астрономической единицы (в двадцать раз ближе, чем Земля от Солнца!).

Спутник планеты-гиганта у звезды 47 Большой Медведицы © Lynette R. Cook

Такая дистанция вызвала недоумение астрономов. На столь малом расстоянии, согласно современным теориям формирования планетных систем, не могла образоваться ни гигантская газовая планета, подобная Юпитеру, ни «каменная» больших размеров.

Пытаясь привести практические наблюдения в соответствие с теорией, исследователи выдвинули такое предположение, что некогда планета образовалась на расстоянии в 100 раз большем. Но потом ее могло сместить с законного места столкновение с каким-либо небесным телом (например, с астероидом) или гравитационное влияние другого спутника 51 Пегаса — звезды сравнительно небольших размеров.

Почти сразу после швейцарцев, открытие подтвердила группа из Сан-Франциско, которая впоследствии вырвалась в лидеры по числу открытых планет.

Первые кривые измерений радиальной скорости были простыми синусоидами, что соответствует круговым орбитам планет. Однако вскоре обнаружились более сложные кривые — с быстрым подъемом и медленным спуском.

Джеф Марси, лидер группы из Сан-Франциско, рассказывал про впечатление, которые произвела на них первая из этих асимметричных кривых. До того, хоть планетная гипотеза колебаний радиальной скорости и была убедительной, оставались сомнения: может быть это просто «дыхание» звезды — периодические расширения и сжатия ее оболочки. Но после того, как несинусоидальная кривая отлично «подогналась» вытянутой кеплеровской орбитой планеты, все сомнения отпали.

Планетная система у звезды 70 Девы © Lynette R. Cook

Кстати, именно группе Марси принадлежит честь открытия планетной системы у звезды 47 Большой Медведицы. Наблюдения и последующие расчеты показывают, что у этой звезды, находящейся от нас на расстоянии 13,5 парсек, имеются две планеты: первая из них по своим размерам более чем вдвое превышает Юпитер и отстоит от звезды на 2,1 астрономических единицы, а вторая, чуть меньше Юпитера, — на 3,73 астрономических единицы. Столь большие планеты, скорее всего, являются газовыми гигантами, и на них невозможны формы жизни, похожие на земные. Однако у таких планет должны быть многочисленные спутники, на которых вполне может существовать вода в жидком виде, а значит, и основа для возникновения жизни.

Еще одну систему из того же ряда группа Марси открыла у звезды 70 Девы, отстоящей от нас на 22 парсека. Там имеется планета, масса которой в 6,6 раз больше, чем у Юпитера, а радиус орбиты — 0,43 астрономических единицы. Ученые уверены, что такая планета просто обязана иметь спутники размером с Марс или Землю — эти спутники получают достаточно тепла от своего центрального светила и от планеты-гиганта для того, чтобы вода на их поверхности никогда не замерзала и могла зародиться жизнь.

Пейзажи землеподобной планеты у звезды 70 Девы © John Whatmough

А вообще на сегодняшний день официально объявлено об открытии 120 экзопланет у 105 звезд!

Планета в созвездии Тельца — ошибка интерпретации

Можно ли увидеть эти планеты? Или их присутствие определяется только по доплеровским смещениям в спектре?

Научные издания неоднократно объявляли, что удалось сфотографировать экзопланету, однако на поверку оказывалось, что речь идет или о «коричневом карлике» (то есть об объекте совершенно иного класса, нежели планета), или об ошибке, когда астрономы принимают другую, более удаленную звезду, за спутник более близкой звезды. Например, так случилось в 1998 году, когда астрономы, работавшие с телескопом «Хаббл», сообщили, что им удалось сфотографировать массивную планету, размером в три Юпитера, находящуюся в 138 парсек от нас в созвездии Тельца, однако впоследствии открытие не подтвердилось.

Планетная система HD70642 у звезды © David A. Hardy's

В ПОИСКАХ ВТОРОЙ ЗЕМЛИ

Но и без того доказательное выявление экзопланет вызвало вздох облегчения у теоретиков: наконец-то найдены системы, хоть чем-то похожие на Солнечную. Теперь можно утверждать, что в окрестностях вышеуказанных звезд есть и более мелкие планеты, которые астрономам еще предстоит обнаружить. Сформулирована и главная (самая соблазнительная) задача — отыскать «сестру» Земли.

Уже сейчас утверждается, что кандидатов на подобную роль может оказаться чрезвычайно много. Об этом свидетельствует компьютерное моделирование.

Создав 44 компьютерных модели строения системы планет вокруг звезды, похожей на Солнце, ученые обнаружили, что в каждом случае формировалось от одной до четырех планет, подобных Земле. В 11 случаях эти планеты оказывались на том же расстоянии от своей звезды, что и Земля от Солнца.

Исследования в виртуальном пространстве компьютерного эксперимента показали, что количество воды на землеподобных экзопланетах в значительной мере зависят от орбитальных характеристик газовых планет -гигантов типа Юпитера. Более сложная орбита гигантской планеты обуславливает малое количество воды на землеподобной планете. И наоборот, чем ближе орбита гиганта к простой окружности, тем больше воды окажется на планете класса Земли.

Смоделированный снимок земных планет Солнечной системы так, как сделал бы его интерферометр «Darwin» с расстояния в 10 парсек: светлые пятна — Венера, Земля и Марс, свет Солнца «занулен» интерференцией (ESA)

Теперь ученые пытаются установить, можно ли определить параметры землеподобной экзопланеты в конкретной системе, зная характеристики ее гигантской соседки. Подавляющее большинство из обнаруженных гигантов находятся очень близко к своим звездам, что совсем не похоже на строение нашей системы, но прорыв в методах наблюдения произошел совсем недавно, и можно быть уверенным: прогресс в этой области будет продолжаться.

«Мы определенно можем сказать, что в космосе — чертова уйма планет, — утверждает астроном Стив Вогт, работающий в Калифорнийском университете. — Только в нашей Галактике их может быть порядка 10 миллиардов. По наличествующим сейчас данным, на орбитах как минимум 12% ближайших к нам звезд обращаются планеты размером с Юпитер, и возле 3% этих звезд могут располагаться планеты, сопоставимые по размерам с Землей».

На ближайшие пять лет команда Вогта поставила себе цель отыскать системы, содержащие планеты-гиганты, вращающиеся по кольцевым орбитам. И одна из таких «нормальных» планетных систем была открыта совсем недавно международной командой британских, американских и австралийских астрономов, работающей с 3,9-метровым телескопом в Новом Южном Уэльсе в Австралии.

По своей массе она в два раза превосходит Юпитер и вращается по практически кольцевой орбите. Расстояние от газовой планеты до родительской звезды составляет 3,3 астрономических единицы (Юпитер отстоит от Солнца на 5,2 астрономических единиц). Звезда, вокруг которой вращается эта планета, имеет обозначение HD70642, находится в созвездии Кормы и по своим характеристикам напоминает Солнце.

Смоделированный спектр Земли так, как его снял бы «Darwin» с расстояния 10 парсек (ESA)

Доктор Хью Джоунс, сотрудник Ливерпульского университета имени Джона Мурса, который руководит научными исследованиями, заявил: «Эта звездная система — самая похожая на Солнечную из тех, что были найдены до сих пор. И это обнадеживает ученых, занимающихся поисками планеты, схожей с Землей».

ПРОЕКТ «ДАРВИН»

Самый простой способ увидеть экзопланеты своими глазами — это создать космический телескоп, более совершенный, чем «Хаббл», и отправить его на орбиту, где ничто не помешает тончайшим наблюдениям.

Задуман и в настоящее время реализуется целый ряд проектов по поиску экзопланет. Вот только некоторые из них.

Европейский проект «COROT», предусматривающий запуск в апреле 2006 года специализированного космического телескопа, способного снимать кривые блеска многих звезд на предмет прохождения планет. С его помощью ученые надеются выявить десятки планет земного типа.

В рамках американского проекта «Kepler» запланировано выведение на орбиту космического телескопа Шмидта, способного одновременно отслеживать до 100 000 звезд. Задача проекта состоит в обнаружении экзопланет и в определении параметров их орбит путем регистрации периодических ослаблений света звезд при прохождении планет по их дискам. Такие частные затмения должны ослаблять свет звезды на 0,005-0,040% (для юпитероподобных планет — до 1%), а их длительность составит от 2 до 16 часов. Предполагается, что за период эксплуатации телескоп «Кеплер» откроет не менее 50 планет, эквивалентных Земле, и не менее 600 планет в 2 раза больше Земли. Предполагалось, что аппарат полетит в космос в октябре 2006 года, но из-за пересмотра планов НАСА запуск отложен еще на год.

Есть еще и проекты «SIM», «Eddington», «TPF» и «Optical Very Large Array». Однако наибольший интерес представляет европейский проект «Darwin».

Европейский орбитальный телескоп «Corot», предназначенный для поиска экзопланет (ESA)

Известно, что в оптическом диапазоне звезда затмевает своим светом отраженный свет окружающих планеты, превосходит их по яркости в миллиард раз. Чтобы увеличить вероятность обнаружения этих планет, система «Darwin» будет наблюдать звезды в инфракрасном диапазоне, где соотношение яркостей составит один к миллиону.

Чтобы регистрировать слабые излучения от землеподобных планет, «Darwin» должен иметь телескоп с диаметром около 30 метров. Разумеется, это нереально ни с технологической, ни с финансовой точки зрения, поэтому была разработана уникальная система — шесть одновременно работающих телескопов, данные с которых объединяются и передаются на Землю.

Шесть аппаратов оснащаются телескопами системы Кассегрена с диаметром главного зеркала 1,5 метра. Каждый телескоп будет оборудован большим солнцезащитным экраном, чтобы оградить аппаратуру от Солнца. Этот экран раскроется, как только «Darwin» достигнет пункта назначения — точки либрации L2 системы Солнце-Земля.

При работе системы будет использован принцип «обнуляющей интерферометрии». Суть ее состоит в том, что сигнал с нескольких телескопов будет комбинироваться таким образом, чтобы яркая звезда была удалена с изображения, на котором останется лишь тусклая планета.

Флотилию (восемь аппаратов стартовой массой 4240 килограммов) планируется запустить в 2014 году на ракете-носителе «Ariane-5» с космодрома Куру (Французская Гвиана).

Кстати, «Darwin» позволит не только выявить землеподобные экзопланеты, но и обнаружить на них признаки биосферы. Ведь все живые организмы производят газы, которые затем смешиваются с атмосферой. Так, растения выделяют кислород, а животные — углекислый газ и метан. Эти газы и водяной пар могут быть обнаружены в спектре, поглощая определенные длины волн инфракрасного света. Приходящий от таких планет свет будет разложен спектрометром, после чего ученые проанализируют данные и смогут сделать соответствующие выводы...

Американский орбитальный телескоп «Kepler», предназначенный для поиска экзопланет (NASA)



Один из телескопов европейского проекта «Darwin» (ESA)



Система «Darwin» в космосе (ESA)