Фабрика планет. Экзопланеты и поиски второй Земли - читать онлайн

Введение Слепцы и планеты

В Индии есть притча о шести слепцах, пытавшихся представить себе, как выглядит слон. Они решили ощупать неведомого зверя со всех сторон. Первому досталось гладкое ухо. Второй держался за бивень. Третий сжимал тонкий хвост. Четвертый коснулся хобота. Пятый обхватил ногу. Последний прижал ладони к широкому боку. Договориться о том, как на самом деле выглядит слон, они не смогли. Все закончилось горячим спором – ведь каждый из них узнал лишь часть правды.

«Что могло бы заставить вас вышвырнуть мою книгу в окно?»

Лучи холодного зимнего солнца струились сквозь стекло как раз одного такого окна на третьем этаже физического факультета Вашингтонского университета, откуда открывался изумительный вид на затянутую легкой дымкой панораму Сиэтла. Мне было не до того: я представляла себе, как истерзанный экземпляр моей книги мокнет в луже.

В кресле напротив меня сидел пышнобородый Том Куинн, астрофизик, потративший не одно десятилетие на моделирование процессов формирования планет. В течение последних десяти минут я испытывала его терпение, нудно перебирая возможные темы для будущего опуса, публикацией которого надеялась изменить мир. И вот мы подошли к моменту истины: мне захотелось узнать, есть ли что-то такое, что могло бы заставить специалиста в области планетологии признать книгу о других мирах полной ахинеей? Я ожидала, что Куинн начнет загибать пальцы на руках, перечисляя темы, которые обязательно нужно осветить. В самом начале его списка наверняка будут горячие юпитеры – уже обнаруженные планеты, которые обращаются вокруг звезд, похожих на нашу собственную. После их открытия все известные теории образования планет отправились в мусорную корзину. За горячими юпитерами, наверное, последуют загадочные суперземли, отличающиеся размерами от всего, что обращается вокруг Солнца. Что это вообще такое – миниатюрные газовые планеты с удушливыми атмосферами или планеты из твердых скальных пород, но только куда более массивные, чем Земля?

Пожалуй, потом Куинн упомянет планеты, которые, подобно вымышленной родной планете Люка Скайуокера, обращаются вокруг двух звезд-близнецов, или, наоборот, вспомнит о планетах без звезды. Еще есть планеты, траектории движения которых настолько вытянуты, что смена сезонов на них подобна прыжку из домны в морозильник; планеты, где солнце никогда не заходит; планеты, вся поверхность которых покрыта водой или расплавленной лавой. Или же Куинн мог бы сказать, что следующим большим прорывом станет открытие планет наподобие Земли – с изрезанными береговыми линиями, давшими приют причудливым формам жизни.

Куинн ничего не стал перечислять. Он решил не ходить вокруг да около.

«Наши знания о планетообразовании далеки от полноты, – сказал он. – Мы пока видели лишь крохотную часть всего, что есть в космосе. Если вы станете преподносить наши знания как исчерпывающее описание того, что существует на самом деле, ваша книга точно полетит в окно».

Куинн хотел сказать, что планеты с их тайнами остаются для нас не меньшей загадкой, чем слон для слепцов. Мириады миров в космосе – незримое существо, которое мы силимся познать по доступным нам сейчас небольшим кусочкам.

Если бы в 1968 г. Мишель Майор не выбрался из ледяной расщелины, в которую он случайно угодил в горах, честь открытия первой планеты, обращающейся вокруг другого солнца, досталась бы кому-то еще.

Тяга к приключениям была у Майора в крови. Он родился в 1942 г. в Лозанне на берегах Женевского озера в семье любителей активного времяпрепровождения. Со временем детское увлечение переросло в страсть к опасным видам спорта – спуску на лыжах с горных вершин и скалолазанию. Нет ничего удивительного, что в 26 лет он оказался на волосок от гибели, сорвавшись с обледеневшего края утеса. Не исключено, что одержимость Майора движением звезд объясняется как раз этой любовью к высокогорью.

Докторская диссертация, над которой он работал в Женевском университете, была посвящена выявлению незначительных отклонений в траектории звезд, вызванных гравитационным воздействием спиральных рукавов Галактики. Это исследование было невозможно без сверхточного измерения скоростей звезд, и Майор непрерывно работал над усовершенствованием методов проведения таких измерений. Ему удавалось фиксировать все малозаметные изменения в движении звезд, даже самые незначительные их колебания стали доступны для наблюдения. Речь шла о колебаниях, вызванных объектом, который был несравнимо меньше самой звезды, – о легчайших толчках, исходящих от невидимой планеты.

Главное препятствие при поиске планет – то, что звезды такие большие и яркие. Даже от поверхности Юпитера – самой массивной планеты в нашей Солнечной системе – отражается всего лишь одна миллиардная попадающего на нее солнечного света. Это очень затрудняет процесс обнаружения планет, вращающихся вокруг другой звезды, свет от которой кажется крошечной точкой в небе. Однако, согласно методике Майора, астрономы и не должны пытаться разглядеть саму планету. Вместо этого следует измерять колебания звезды при обращении планеты вокруг нее.

Когда заходит речь об орбитах, мы обычно представляем себе, как объект меньшего размера движется вокруг более массивного стационарного тела, например как Земля движется вокруг Солнца или как Луна движется вокруг Земли. На самом деле тела притягиваются друг к другу, а потому они оба находятся в движении. Такая пара обращается вокруг своего центра масс – точки в пространстве, в которой силы притяжения двух тел уравновешивают друг друга.

Чтобы наглядно представить себе, как именно это происходит, возьмем карандаш, прикрепим к его концам по ластику и попробуем удержать его на пальце. Если вес ластиков одинаков, точка равновесия будет располагаться точно посередине карандаша. Тот же самый принцип работает и в том случае, когда две звезды одинаковой массы образуют двойную звездную систему. Звезды-двойники вращаются вокруг точки, располагающейся на полпути между ними. В том случае, когда ластики имеют разную массу, точка равновесия смещается к ластику, который тяжелее. Масса Харона, гигантского спутника Плутона, равна почти 12 % массы этой планеты-карлика. Центр их масс находится на расстоянии приблизительно 1000 км над поверхностью Плутона и чуть меньше 17 000 км от поверхности Харона. Поэтому Харон движется по большой окружности, а Плутон – по меньшей, так как оба они вращаются вокруг этой точки равновесия[3]. Масса Луны равна 1 % массы Земли, поэтому центр тяжести этих двух тел находится на глубине приблизительно 1700 км от поверхности Земли. Земля движется по орбите вокруг него, но, учитывая, что наша планета перемещается вокруг точки, расположенной внутри нее самой, ее вращения больше походят на покачивания.

В случае со звездой и планетой разница между массами настолько огромна, что центр массы оказывается в непосредственной близости от физического центра звезды. При этом планета движется по большой окружности, описывая почти правильный круг вокруг звезды, тогда как орбита звезды представляет собой едва заметные колебания.

В конце 1994 г. ученику Майора Дидье Кело удалось зафиксировать такое колебание при наблюдениях в телескоп. Объектом, незначительные перемещения которого зафиксировал исследователь, оказалась звезда из созвездия Пегас, находящаяся на расстоянии 51 светового года от Солнца. Это означало существование экзопланеты, то есть планеты за пределами нашей Солнечной системы.

Чтоб понять механизм обнаружения столь незначительного колебания, представьте себе, что вы слышите приближающийся звук сирены машины скорой помощи. Чем ближе машина, тем меньше расстояние между вами и сиреной. Звуковые волны сжимаются, их длина уменьшается, а звук сирены становится выше. При удалении машины длина звуковых волн увеличивается, а высота звука падает. Это явление называют эффектом Доплера.

То же самое происходит и со светом звезды. Когда при обращении по орбите вокруг планеты звезда движется по направлению к Земле, исходящие от нее световые волны сжимаются, их длина уменьшается, а цвет смещается к голубой части спектра. Когда звезда движется назад, удаляясь от Земли, световые волны становятся длиннее и приобретают красный оттенок. По мере движения планеты и звезды по орбите вокруг общего центра масс свет звезды меняется, смещаясь то к голубой части спектра, то к красной, в соответствии с ее колебательными движениями.

Еще один способ решения той же проблемы связан с частицами света. Представьте, что звезда – это человек, который бросает в вас световые шары с постоянной частотой. Если звезда движется к вам, расстояние между вами сокращается, а значит, частота с которой шары долетают до вас, увеличивается. Это как раз то уменьшение длины волн, благодаря которому свет приобретает голубой оттенок, а звук сирены становится выше. Когда звезда удаляется, расстояние увеличивается, а значит, шарам требуется больше времени, чтобы преодолеть его. При этом длина волн увеличивается, а свет приобретает красный оттенок.

Измерение этого сдвига в длине волн позволяет отследить изменения в движении звезды в момент колебания при сближении с Землей и удалении от нее. Скорость движения по направлению к нам называют лучевой скоростью звезды. Отсюда название метода обнаружения планет – метод лучевых скоростей. Иногда его еще называют методом Доплера.

Майор и Кело использовали данные о продолжительности колебаний звезды в обоих направлениях для расчета длины орбиты планеты и далее делали вывод о том, насколько далеко планета находится от звезды. При этом амплитуда колебаний звезды позволила оценить массу планеты: чем больше звезда отклонялась от своей орбиты, тем дальше была точка равновесия, то есть центр масс, а значит, тем тяжелее была планета.

Стоит упомянуть, что масса планеты, полученная методом измерения лучевой скорости звезды, – это всегда минимальное возможное значение. Причина в том, что световые волны становятся короче или длиннее только при движении непосредственно к нам или от нас. Любые колебания звезды, направленные не в нашу сторону, проходят незамеченными.

Можно провести аналогию с наблюдением за движением наполненного горячим воздухом шара по его тени. Тень показывает нам, что шар движется параллельно земле, но мы не понимаем, поднимается он или опускается. Если бы по движению тени вы захотели вычислить, сколько горючего ушло на полет шара, то, скорее всего, полученный результат был бы слишком мал, ведь в нем не учитывалось бы топливо, затраченное на набор высоты. Соответственно, если планета и звезда движутся по орбитам, имеющим определенный угол наклона по отношению к Земле, только лишь часть колебаний звезды будет обращена к нам и поддастся обнаружению. Поэтому оценка исходящей от планеты силы будет заниженной, а вычисленная таким способом масса будет меньше фактической.

Майор и Кело проводили свои наблюдения с помощью телескопа в обсерватории Верхнего Прованса на юге Франции. К концу 1994 г. им удалось провести 12 измерений лучевой скорости звезды 51 в созвездии Пегас. Они поняли, что имеют дело с чем-то исключительным, но потом осторожность взяла верх. Предшествующие попытки отыскать столь крошечный объект, как планета, ни к чему хорошему не привели, из-за чего за исследованиями в этой области закрепилась дурная слава. На протяжении полувека то там, то тут появлялись ложные сообщения, которые не подтверждались при более тщательном анализе. Была ли это действительно планета или то, что они наблюдали, окажется всего лишь результатом незначительных периодически повторяющихся изменений в атмосфере звезды при ее вращении?

Была и другая проблема. Когда они пытались рассчитать минимальную массу и период обращения планеты по орбите, у них получалась какая-то бессмыслица.

Предполагаемая планета была размером по меньшей мере в половину Юпитера, то есть приблизительно в 150 раз больше Земли. Такая громада должна была быть газовым гигантом, похожим на четыре планеты Солнечной системы – Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Предполагают, что у них есть твердое ядро, но большая часть их объема приходится на атмосферу толщиной в тысячи километров. Все наши газовые планеты находятся на дальних окраинах Солнечной системы, а во всех моделях образования планет такое расположение рассматривалось в качестве универсального. Для формирования газового гиганта требуется много вещества. Вблизи звезды, где под действием высокой температуры значительная часть потенциальных твердых частиц улетучивается, его просто нет. Поэтому газовые гиганты всегда находятся на значительном удалении от звезды. Однако расстояние между наблюдавшейся Майором и Кело новой планетой и звездой было совсем небольшим. Более того, планета располагалась намного ближе к звезде 51 Пегаса, чем Меркурий – к нашему Солнцу. Год на ней продолжался всего четверо суток. Должно быть, исследователи допустили ошибку.

Майор и Кело решили не торопиться и продолжили наблюдать за звездой 51 Пегаса. В июле 1995 г. они провели еще восемь измерений. Проанализировав полученные данные, ученые наконец убедились, что были правы. Несмотря на все нестыковки, это действительно была планета.

В том же году Майор отправился на конференцию, которая должна была пройти 6 октября во Флоренции. Он поздно подал заявку на участие и потому должен был выступить с пятиминутным докладом в рамках дискуссии за круглым столом. Еще до начала заседания среди участников начали распространяться слухи о теме доклада Майора. Организаторы решили увеличить время его выступления до 45 минут.

Получив слово, Майор объявил об открытии первой внесолнечной планеты по колебательному движению солнцеподобной звезды. Своим докладом он положил начало настоящей лавине исследований, приведших к открытию десятков новых миров.

Далекая горячая планета Майора получила условное обозначение «51 Пегаса b», состоящее из имени звезды 51 в созвездии Пегас и строчной буквы. Дело в том, что строчной буквой a теперь принято обозначать саму звезду. Поэтому первая планета, открытая в той или иной планетной системе, получает букву b. Ее собратья в той же планетной системе будут обозначаться буквами c, d, e и так далее. Если звезда является частью двойной системы, в которой две похожие звезды обращаются по орбитам вокруг общего центра масс, то для их обозначения используются прописные буквы A и B.

У названия звезды могут быть совершенно разные источники, выбор которых определяется совсем не благозвучием. «51 Пегаса» – это 51-я звезда в созвездии Пегас. Также звезды называют по астрономическим каталогам, в которых они числятся. Например, Глизе 1214 – 1214-я звезда из каталога Глизе (Gliese), а BD+20594 – звезда из каталога «Боннское обозрение» (Bonner Durchmusterung). Как мы увидим позже, многие звезды с обращающими вокруг них планетами получают имена в честь инструмента, с помощью которого они были обнаружены, или исследования, благодаря которому это стало возможно.

Конечно, никто никогда всерьез не ставил под сомнение существование планет, обращающихся вокруг других звезд. Однако именно с открытием планеты 51 Пегаса b мы получили возможность находить эти далекие миры и быть уверенными, что это не какая-то ошибка. В 1999 г. было сделано еще одно открытие, которое ознаменовало начало эпохи массового обнаружения новых планет.

За зданием факультета астрофизики Оксфордского университета закрепилась сомнительная репутация одного из самых уродливых в исторической части города. Однако тем, кто собрался на его крыше 8 июня 2004 г., не было никакого дела до брутальной бетонной архитектуры. Их интересовало кое-что другое: все взгляды были прикованы к импровизированному экрану, на который через камеру-обскуру проецировалось изображение Солнца. Сразу после полудня на размытом фоне появился и начал движение темный силуэт. Это была планета Венера, проходившая по диску Солнца впервые с 1882 г.

Транзит, т. е. прохождение, наблюдается, когда небесное тело проходит между Землей (или другой точкой наблюдения) и более крупным объектом, закрывая собой небольшую его часть. Самым ярким примером такого явления может служить полное солнечное затмение, при котором Луна на короткое время полностью закрывает свет Солнца. Несмотря на то что диаметр Венеры почти в 3,5 раза больше диаметра Луны, из-за более удаленного положения она блокирует лишь около 0,1 % света Солнца. При столь незначительном снижении светимости увидеть транзит Венеры можно, только вооружившись специальным оборудованием. До 1639 г. никто эти транзиты не замечал.

Немецкий астроном Иоганн Кеплер пытался, но так и не сумел предсказать транзит Венеры, уйдя из жизни за шесть лет до него. Наибольшую известность ему принесли доказательство движения планет по эллиптическим, а не круговым орбитам и открытие трех законов движения планет. Еще одним результатом его скрупулезных наблюдений за характером движения планет Солнечной системы стали первые расчеты времени прохождения Венеры по диску Солнца.

Редкость таких транзитов объясняется тем, что в ходе них Солнце, Венера и Земля должны расположиться на одной линии, что случается нечасто. Транзиты Венеры происходят парами с интервалом более века. По расчетам Кеплера, в 1639 г. Венера должна была быть максимально близка к тому, чтобы пересечь поверхность Солнца. Его выводы пересмотрел британский астроном Джереми Хоррокс, который не только понял, что транзит Венеры состоится, но и впервые наблюдал и зафиксировал это явление вместе со своим другом Уильямом Крабтри. Как это ни парадоксально, Хоррокс, который использовал для получения четкого изображения Солнца телескоп, технически был оснащен лучше наблюдателей, собравшихся на крыше здания отделения астрофизики в Оксфорде 365 лет спустя.

Прохождение Венеры по диску нашего Солнца – действительно редкое явление. Но на самом деле на ночном небе происходит бесчисленное количество планетных транзитов. Впрочем, обнаружить их совсем не просто – для этого нужно зафиксировать вызванные планетой «мерцания» в точке звездного света величиной с укол булавки.

История изучения экзопланет, как позже поведает мне за кружкой пива австралийский планетолог Стивен Кейн, делится на две части – до открытия HD 209458 b и после него.

HD 209458 b – очередная планета размером с Юпитер, которая располагается недалеко от своей звезды, совершая оборот по орбите всего за трое с половиной суток. Ее неуклюжее название является примером следования правилам астрономической номенклатуры: HD представляет собой сокращение названия каталога Генри Дрейпера (Henry Draper), а 209458 – порядковый номер звезды в этом каталоге. Как и 51 Пегаса b, HD 209458 располагается в созвездии Пегаса, но в три раза дальше от нас, на расстоянии 150 световых лет. Впервые планета была обнаружена методом лучевых скоростей, позволившим зафиксировать колебания ее звезды. Однако наличие столь крупной планеты в непосредственной близости от звезды означало высокую вероятность того, что она совершит транзит, который можно будет наблюдать. Решив воспользоваться этой заманчивой возможностью, две группы исследователей начали вести наблюдения за светом от HD 209458.

Увидеть четко очерченный силуэт планеты, проходящей по диску звезды, находящейся дальше нашего Солнца, невозможно. Все, что мы видим, – это небольшое снижение яркости света (астрономы говорят: блеска) звезды, которое можно сравнить с мерцанием. Такое затемнение является крайне незначительным. Даже для HD 209458 b, газового гиганта размером с Юпитер, падение блеска составляет всего лишь порядка 1–2 %. Для планеты размером с Землю эта величина опускается ниже одной сотой процента.

Несмотря на эти затруднения, обе группы, обратившие внимание на HD 209458, зафиксировали характерное уменьшение блеска звезды, продолжавшееся пару часов. Полученные ими результаты были одновременно опубликованы в одном и том же выпуске The Astrophysical Journal в декабре 1999 г. Наблюдавшиеся падения блеска звезды точно соответствовали периодическим изменениям положения звезды, определяемым с помощью метода лучевых скоростей. Так была обнаружена первая транзитная экзопланета.

Новый метод обнаружения планет получил название транзитного, так как был основан на обнаружении прохождения планеты по диску звезды: в отличие от метода лучевых скоростей, при котором оценивается масса планеты, в транзитном методе учитывается ее радиус. Более значительное падение блеска звезды соответствует более крупной планете. В результате HD 209458 b стала первой экзопланетой, размер которой удалось определить.

Помимо размера планеты данный метод также позволяет узнать ориентацию орбиты. Зная время прохождения планеты по диску звезды (продолжительность падения яркости) и время обращения вокруг звезды (промежуток между падениями яркости), можно прочертить траекторию планеты. Это позволяет исключить характерную для метода лучевых скоростей погрешность при измерении массы. Таким образом, комбинируя методы, можно получить точные значения массы и радиуса новой планеты.

Каменистая планета, существенную часть поверхности которой занимает суша, то есть такая, как Земля, имеет высокую плотность – 5,51 г/см³. При этом железное ядро Земли значительно плотнее этого значения, а плотность вещества у поверхности меньше. Поэтому указанное выше значение плотности является усредненным показателем для всех составляющих планеты.

Что касается гиганта вроде Юпитера, то, учитывая, что большую часть этой планеты составляет водород, его впечатляющей массе соответствует еще более впечатляющий радиус. В силу этого средняя плотность планеты очень мала и составляет всего лишь 1,33 г/см³.

В случае с HD 209458 b результаты измерения этих характеристик оказались не менее удивительными, чем удивительная близость орбиты планеты к звезде. Оказалось, что при массе, составляющей две трети Юпитера, экзопланета больше его на треть, и ее плотность составляет всего лишь 0,37 г/см³. Этот юпитероподобный газовый гигант явно раздут.

Измерение колебаний лучевой скорости и падения яркости при транзите – далеко не простая задача. Одни планеты не проходят по диску своей звезды, другие – не создают настолько сильных колебаний, чтобы их можно было отличить от собственных изменений в скорости движения звезды. Тем не менее появление методов изучения строения экзопланет стало огромным шагом вперед – шагом, которого было достаточно для того, чтобы положить начало куда более масштабному проекту по исследованию экзопланет.

Ранним утром 7 марта 2009 г. со стартовой площадки на базе ВВС США на мысе Канаверал во Флориде отправилась в космос ракета-носитель. На ее борту находился первый космический телескоп, предназначенный для поиска планет.

Телескоп назвали в честь Иоганна Кеплера, астронома, проделавшего кропотливую работу по вычислению параметров движения планет в нашей Солнечной системе. В знак уважения к вкладу Кеплера в прогнозирование транзитов ближайших к нам планет его именем был назван аппарат, предназначенный для наблюдения за транзитом тысяч планет.

Оказавшись в космосе, телескоп «Кеплер» выполнил маневр, в результате которого оказался на орбите, позволяющей ему следовать за Землей вокруг Солнца. Наконец 7 апреля был сброшен пылезащитный слой, и на «Кеплер» впервые попал свет. Благодаря зеркалу диаметром 1,4 м, направленному на богатый звездами участок нашей Галактики в районе созвездий Лебедь и Лира, «Кеплер» был способен наблюдать более чем за 100 000 звезд одновременно.

Для обнаружения проходящих по диску звезды экзопланет космический телескоп использовал транзитный метод, фиксируя падения яркости звезд. Находясь за пределами рассеивающей свет атмосферы Земли, «Кеплер» имел намного большую чувствительность к малейшим колебаниям света звезд, чем любой телескоп на поверхности нашей планеты.

Проект имел грандиозный успех. На состоявшемся в январе 2015 г. зимнем заседании Американского астрономического общества команда проекта «Кеплер» объявила о 1000-м подтверждении открытия планеты. И это не считая свыше 4000 кандидатов в планеты, существование которых вызывало сомнения и нуждалось в подтверждении в ходе дальнейших наблюдений. Официальной целью миссии считался поиск землеподобных планет, но истинное значение работы телескопа «Кеплер» заключается в демонстрации колоссального разнообразия и многочисленности планет в нашем галактическом окружении. За 20 лет мы перешли от теорий, в которых все аспекты процесса формирования планет описываются исключительно на материале одной-единственной Солнечной системы, к теориям, основанным на сопоставлении более чем 500 различных планетных систем.

Оптимальным объектом для применения как транзитного метода, так и метода лучевых скоростей являются крупные планеты, обращающиеся по близким к звездам орбитам. Такие планеты блокируют больше всего света, чаще всего проходят по диску звезды и достаточно массивны, чтобы вызвать поддающиеся фиксации колебания светила. Вследствие этого мы знаем куда больше об объектах с короткими орбитами, чем о тех, что находятся на задворках планетных систем.

Разумеется, арсенал методов поиска внесолнечных планет не исчерпывается указанными двумя. Однако именно они являются наиболее продуктивными. Сейчас, когда я пишу эти строки, насчитывают 3439 подтвержденных внесолнечных планет. Причем 3314 из них были обнаружены по крайней мере одним из двух методов[4]. Эта книга – история тех самых 3439 планет. В ней рассказывается о том, как из частичек пыли формируются миры, разнообразие которых намного богаче самых причудливых фантазий Голливуда. Как минимум в одном из таких миров развилась разумная форма жизни, способная задаться вопросом о происхождении всего ее окружающего. Впрочем, этой форме жизни не стоит забывать: ответы, которая она найдет здесь, не являются окончательными.

Точка еще не поставлена.