Экзопланеты: история открытия и современные достижения
Первое подтвердившееся открытие внесолнечной планеты сделал польский радиоастроном Алекс Вольцжан (A.Wolszczan), который с помощью 305-метровой антенны в Аресибо изучал радиопульсар PSR 1257+12, удаленный примерно на 1000 св. лет от Солнца и посылающий импульсы через каждые 6,2 мс. В 1991 ученый заметил периодическое изменение частоты прихода импульсов. Его американский коллега Дейл Фрейл подтвердил это открытие наблюдениями на другом радиотелескопе. К 1993 выявилось присутствие рядом с пульсаром PSR 1257+12 трех планет с массами 0,2, 4,3 и 3,6 массы Земли, обращающихся с периодами 25, 67 и 98 сут. В 1996 появилось сообщение о присутствии в этой системе четвертой планеты с массой Сатурна и периодом около 170 лет.
Та легкость, с которой планеты были найдены у первого пульсара, вдохновила радиоастрономов на анализ сигналов и других пульсаров (их сейчас открыто более 1000). Но поиск оказался почти безрезультатным: лишь еще у одного далекого пульсара (PSR 1620-26) обнаружилась планета-гигант в несколько раз массивнее Юпитера. До сих пор планетная система пульсара PSR 1257+12 демонстрирует нам единственный пример планет типа Земли за пределом Солнечной системы.
Считается весьма странным, что вообще рядом с нейтронной звездой обнаружились маломассивные спутники. Рождение нейтронной звезды должно сопровождаться взрывом сверхновой. В момент взрыва звезда сбрасывает оболочку, с которой теряет большую часть своей массы. Поэтому ее остаток – нейтронная звезда-пульсар – не может своим притяжением удержать планеты, которые до взрыва быстро обращались вокруг массивной звезды. Возможно, что обнаруженные у пульсара планеты сформировались уже после взрыва сверхновой, но из чего и как – не ясно. Пока планетные системы нейтронных звезд по причине их непонятного происхождения считают чем-то неполноценным.
Успех Доплер-эффекта: планеты у нормальных звезд. Первую «настоящую» экзопланету обнаружили в 1995 астрономы Женевской обсерватории Мишель Майор (M.Mayor) и Дидье Квелоц (D.Queloz), построившие оптический спектрометр, определяющий доплеровское смещение линий с точностью до 13 м/с. Любопытно, что американские астрономы под руководством Джеффри Марси (G.Marcy) создали подобный прибор раньше и в 1987 приступили к систематическому измерению скоростей нескольких сотен звезд; но им не повезло сделать открытие первыми. В 1994 Майор и Квелоц приступили к измерению скоростей 142 звезд из числа ближайших к нам и по своим характеристикам похожих на Солнце. Довольно быстро они обнаружили «покачивания» звезды 51 в созвездии Пегаса, удаленной от Солнца на 50 св. лет. Колебания этой звезды происходят с периодом 4,23 сут и, как заключили астрономы, вызваны влиянием планеты с массой 0,47 Мю (для нее уже предложено имя – Эпикур).
Это удивительное соседство озадачило ученых: совсем рядом со звездой как две капли воды похожей на Солнце бешено мчится планета-гигант, обегая ее всего за четыре дня; расстояние между ними в 20 раз меньше, чем от Земли до Солнца. Астрономы не сразу поверили в это открытие. Ведь обнаруженная планета-гигант из-за ее близости к звезде должна быть нагрета до 1000 К. Горячий юпитер? Такого сочетания астрономы не ожидали. Быть может, за колебания звезды была принята пульсация ее атмосферы? Однако дальнейшие наблюдения подтвердили открытие планеты у звезды 51 Пегаса. Затем обнаружились и другие системы, в которых планета-гигант обращается очень близко к своей звезде; термин «горячий юпитер» прочно вошел в обиход.
Поиском экзопланет сейчас занято более 150 астрономов на различных обсерваториях мира, включая самую продуктивную научную группу Дж.Марси и группу М.Майора. Для выработки терминологии и координации усилий в этой области Международный астрономический союз (МАС) создал Рабочую группу по внесолнечным планетам, первым руководителем которой избран американский астроном-теоретик Алан Бос (A.Boss). Предложена временная терминология, согласно которой «планетой» следует называть тело массой менее 13 Мю, обращающееся вокруг звезды солнечного типа; такие же объекты, но свободно движущиеся в межзвездном пространстве, следует называть «коричневыми субкарликами» (sub-brown dwarfs). Сейчас этот термин употребляется в отношении нескольких десятков предельно слабых объектов, найденных в 2000–2001 в туманности Ориона и не связанных со звездами. Они излучают в основном в инфракрасном диапазоне и по массе, вероятно, лежат в промежутке между коричневыми карликами и планетами-гигантами. Ничего определенного о них пока сказать нельзя.
Свойства обнаруженных экзопланет. Несколько столетий астрономы бьются на загадкой происхождения Солнечной системы. Главная проблема в том, что нашу планетную системы до сих пор не с чем было сравнить. Теперь ситуация изменилась: практически каждый месяц астрономы открывают новую экзопланету; пока это планеты-гиганты, но скоро новые приборы позволят обнаруживать и планеты земного типа. Станет возможной классификация и сравнительное изучение планетных систем. Это значительно облегчит отбор жизнеспособных гипотез и построение правильной теории формирования и ранней эволюции планетных систем, в том числе – Солнечной системы. На 1 сентября 2001 статистика исследований экзопланет такова:
поиск планет произведен приблизительно у 1000 звезд; это почти все звезды в окрестности 30 пк от Солнца;
у 58 звезд обнаружены планетные системы, содержащие от 1 до 3 планет, всего обнаружено 68 экзопланет;
минимальная масса экзопланеты (M sin i), обнаруженной рядом с нормальной звездой, равна 0,15 Мю;
обнаружены планетные системы у двух радиопульсаров, причем в одной из этих систем (PSR 1257+12) присутствуют планеты земной массы;
заподозрены планеты еще у дюжины звезд;
орбитальные периоды обнаруженных экзопланет лежат в диапазоне от 3 сут до 7 лет, а большие полуоси орбит – от 0,04 до 3,7 а.е.;
эксцентриситеты орбит экзопланет лежат в диапазоне от 0,0 до 0,93; при этом орбит с большим эксцентриситетом оказалось довольно много (в отличие от Солнечной системы, где большие планеты движутся по почти круговым орбитам);
амплитуда наблюдаемых колебаний лучевой скорости звезды под виянием планеты от 10 м/с (инструментальный предел) до 2 км/с;
ближайшая экзопланета обнаружена у звезды Эпсилон Эридана, на расстоянии 10 св. лет от Солнца. Она чуть меньше Юпитера и обращается на расстоянии 3,3 а.е. от звезды чуть менее массивной и менее горячей, чем Солнце;
лишь в одном случае (звезда HD 209458) Земля оказалась почти в плоскости орбиты экзопланеты (i = 85,2 град.). Поэтому астрономы систематически, дважды в неделю, наблюдают прохождения экзопланеты перед звездой, вызывающие неглубокие (1,5%) затмения. Это позволило очень точно установить орбитальные и физические параметры планеты и звезды. В частности, имея массу 0,69 Мю, планета в 1,54 раза больше Юпитера по размеру. Это не удивительно, если учесть, что она обращается на расстоянии всего 0,045 а.е. от звезды, немного более массивной и яркой, чем наше Солнце. В таком положении планета должна быть весьма горячей и иметь протяженную атмосферу.
В целом обнаружение первых внесолнечных планетных систем стало одним из крупнейших научных достижений 20 столетия. Решена важнейшая проблема – Солнечная система не уникальна; формирование планет рядом со звездами – это закономерный этап их эволюции. В то же время становится ясно, что Солнечная система нетипична: ее планеты-гиганты, движущиеся по круговым орбитам вне «зоны жизни», позволяют длительное время существовать в этой зоне планетам земного типа, одна из которых – Земля – имеет биосферу. Другие планетные системы редко обладают этим качеством.
В январе 1998 года начала свою работу группа Англо-Австралийского телескопа. Используя 3,9 метровый телескоп в Австралии, астрономы группы исследовали около 200 близких звезд солнечного типа до 8 звездной величины, находящихся на южном небе. Их программа рассчитана до 2010 года, и уже принесла значительные результаты: в тесном сотрудничестве с Ликской обсерваторией было открыто несколько десятков планет. Спустя десятилетие после открытия первой внесолнечной планеты у нормальной звезды удалось достичь минимального порога масс для планет в 30-40 масс Земли и максимального периода обращения в 10 лет.
В 2004 году, используя новые спектрографы, удалось повысить точность измерения лучевых скоростей до 1 метра в секунду, что позволило сразу открыть совершенно новый класс объектов - так называемые "горячие нептуны" с массами порядка 15 масс Земли. В августе 2004 года свои открытия одновременно опубликовали и европейские, и американские астрономы. Европейские исследователи использовали спектрограф HARPS, установленный на 3,6 метровом телескопе в Ла-Силла. Американцы использовали телескоп Hobby-Eberly (HET) в обсерватории Мак-Дональд (Техас). Используя также и астрометрические данные Хаббловского космического телескопа, что позволило определить наклон планетной системы к лучу зрения, они открыли четвертую внутреннюю планету в уже известной системе 55 Cancri. Спустя год количество "горячих нептунов" достигло десятка. А летом 2005 года группа Дж. Марси объявила об открытии планеты массой около 7 масс Земли. Эта планета стала первой, которая, по-видимому, имеет твердую поверхность и относится к так называемому классу "суперземель". Для обнаружения этой планеты у звезды Glise 876, рядом с которой уже было открыто два газовых гиганта, использовали телескоп Кек на Гавайских островах. Но на этом американские исследователи останавливаться не собираются, следующий их шаг - глубокая модернизация 2,4-метрового телескопа в Ликской обсерватории и создание так называемого "Обнаружителя скалистых планет" (RPF). Он должен обнаружить 5-20 планет с массой, близкой к массе Земли, вокруг звезд, выбранных в качестве целей для будущих космических обсерваторий NASA - SIM и TPF. По-видимому этот проект станет первым для изучения планет земной массы у обычных звезд. В течение месяца каждую ночь телескоп будет непрерывно изучать одну из соседних звезд, чтобы обнаружить минимальные колебания спектральных линий йода, и должен открыть каменные планеты в радиусе до 0,2 астрономических единиц от звезды.
Современные достижения в открытии экзопланет
Фотографии планет, обращающихся вокруг иных звезд, полученные в оптическом и инфракрасном диапазонах. Эти достижения стали возможными благодаря современным телескопам и специальным методам, позволяющим выделять слабый свет планет на фоне яркой засветки от родительских звезд. Космический телескоп NASA "Хаббл" (Hubble) сфотографировал планету у гиганта Фомальгаута (HD 216956) — самой яркой звезды в созвездии Южной Рыбы и одной из ярчайших звезд на всем земном небосклоне (Фомальгаут находится от нас на расстоянии 25 световых лет). По массе Фомальгаут примерно вдвое превосходит Солнце. Автором открытия стала группа американского астронома Пола Каласа из Калифорнийского университета в Беркли. Имеется уже две фотографии экзопланеты, полученные в 2004 и 2006 годах, которые свидетельствуют о том, что планета движется по орбите в полном соответствии с законами небесной механики. За 21 месяц сдвиг был именно таким, как и положено планете, находящейся на 872-летней орбите на расстоянии 119 астрономических единиц от светила (1 а.е. примерно равна 150 миллионам километров). Новооткрытая планета (Фомальгаут b), вероятно, близка по массе к Юпитеру, но при этом удалена от своей звезды в четыре раза дальше, чем Нептун от Солнца. Из-за относительно низкой массы и удаленности орбиты этот объект не мог быть обнаружен более привычными на сегодняшний день методами. Открытие планеты у Фомальгаута в оптическом диапазоне стало своего рода неожиданностью, поскольку произошло лишь благодаря ее исключительной яркости (объект, надо думать, обладает очень высоким альбедо – отражательной способностью). Сообщение об открытии обнародовано 14 ноября 2008 года в журнале Science. Еще в одной статье в Astrophysical Journal дополнительно анализируется взаимодействие между планетой и пылевым диском Фомальгаута с тем, чтобы произвести оценку массы планеты. Не исключено также, что в системе Фомальгаута вскоре отыщется по крайней мере еще одна планета. Все предыдущие сообщения о получении фото экзопланет имели один существенный недостаток: за планету могли принять более массивный коричневый карлик, который на самом деле представляет собой неудавшуюся звезду (массой свыше 13 масс Юпитера) и на ранних этапах жизни ярко светится в инфракрасном диапазоне. Поэтому только сейчас можно с уверенностью утверждать, что получена фотография инозвездной планеты. Примечательно, что практически одновременно с этой работой стало известно и еще об одном достижении, когда с помощью крупнейших гавайских наземных телескопов Keck II и Gemini North, способных работать в инфракрасном диапазоне, группе астрономов из Канады, США и Великобритании под руководством Кристиана Маруа из канадского Института астрофизики имени Герцберга, удалось получить фотографии сразу трех планет у еще одной гигантской звезды — HR 8799 из созвездия Пегаса, которая удалена от нас на 130 световых лет (публикация в том же журнале Science). Каждый из этих объектов (находящихся на расстояниях 25, 40 и 65 астрономических единиц от звезды) в 5–13 раз превышает массу Юпитера. Если их планетная природа в свою очередь подтвердится, то речь можно будет вести не только об очередных снимках экзопланет, но и о первых прямых наблюдениях инозвездных мультипланетных систем. Не прошло и двух недель после обнародования информации об открытии планеты у Фомальгаута и у HR 8799, как стало известно о новом достижении: французским астрономам под руководством Анн-Мари Лагранж из Гренобльской обсерватории удалось получить изображение экзопланеты, расположенной к своей родительской звезде ближе, чем какая-либо иная планета на других подобных снимках. Речь идет об уже хорошо изученной молодой звезде — Бете Живописца (второй по яркости в созвездии Живописца), находящейся от нас на расстоянии около 63 световых лет. Новообнаруженный объект также корректнее пока называть кандидатом в планеты, поскольку еще предстоит подтвердить, что это не коричневый карлик и не фоновая звезда. Последнее, впрочем, почти исключено, поскольку вероятность того, что посторонний объект окажется столь близким (спроецируется на орбиту, по размерам чуть меньше орбиты нашего Сатурна, 8 а.е.), чрезвычайно мала. Наконец, можно вспомнить еще и о том, что в сентябре 2008 года три канадских астронома из Торонтского университета объявили, что им, возможно, удалось получить первую фотографию планеты, обращающейся возле звезды, похожей на Солнце. Новое достижение стало реальностью благодаря использованию Gemini North и системы адаптивной оптики. Помимо снимка (в инфракрасном диапазоне) окрестностей молодой звезды 1RXS J160929.1–210524, находящейся о нас приблизительно в полутысяче световых лет в направлении на созвездие Скорпиона, были получены также спектральные данные, подтверждающие планетарную природу компаньона, масса которого приблизительно в восемь раз превышает массу Юпитера. Расстояние от новообнаруженного объекта до родительской звезды — 330 а.е. ("крайняя" планета в Солнечной системе — Нептун — удалена от Солнца всего на 30 а.е.). Родительская звезда спектрального класса K7 по своей массе лишь немногим уступает Солнцу (85%), однако гораздо моложе его — ей всего 5 миллионов лет.
Заключение
За последние несколько сот лет открылись многие тайны Вселенной. Но чем дальше мы движемся по пути ее постижения, чем дальше уходим от нашего «незнания», тем более удивительной и таинственной предстает она перед нами. Воистину великолепная, ошеломляющая и загадочная Вселенная!
Человек устроен так, что ему очень хочется считать, что он знает все или почти все. К сожалению, этой слабостью грешили и умные, а иногда и мудрые люди, которых принято называть учеными. Каждый из них создавал свою систему мира и считал, что только его система правильная. Поэтому история познания мира полна абсурдов. Напомним только об одном из них. Ученый Лаплас создал свою систему мира, как он считал, самодостаточную. На вопрос Наполеона: «Какова роль Бога в этой системе?» - Лаплас высокомерно ответил: «Моя теория о наличии Бога не нуждается».
На самом деле возможности человека в познании окружающего его мира ограничены, причем очень существенно. Нам не дано видеть даже то, что находится рядом с нами. Надо расстаться с иллюзией, что мы все можем и незнаем.
Человек должен понимать, что его представления о мире, в котором он живет, могут и будут меняться кардинально, и никогда он не сможет сказать, что он этот мир познал. Да это и не нужно и не важно. Важно совсем другое: знать и чувствовать, что ты в этом мире находишься на своем месте, занимаешь свою нишу и не мешаешь другим. К сожалению, человечество пошло другой дорогой и оказалось у разбитого корыта: ни себе ни другим. Оно превратило земной рай в ад, мешать жить другим живым существам и скоро само не сможет жить на Земле.
Вселенная живая. Один ученый сказал, что она ему напоминает мысль. Это очень меткое сравнение, Что касается материальной Вселенной, то современный этап ее эволюции Ж. Леметр описал так: «Эволюция мира можно сравнить со зрелищем фейерверка, который мы застали в момент, когда он уже кончается: несколько красных угольков, пепел и дым. Стоя на остывшем пепле, мы видим медленно угасающие солнца и пытаемся воскресить исчезнувшее великолепие начала миров».
Литература
Стражев, К тайнам Вселенной / В.И. Стражев. – Минск: РИВШ, 2006. – 160с. – (Серия «Концепция современного естествознания»).
Мизун Ю.В., Мизун Ю.Г. Тайны Вселенной. М.: Вече, 2002.
Шевченко, М.Ю. Путешествие по Вселенной / М.Ю. Шевченко. М., 2000.
Ефремов, Ю.Н. Вглубь Вселенной / Ю.Н. Ефремов. М., УРСС, 2003.
Беккер, Б. Наша растущая галактика / Б. Беккер, Ф. Рихтер // В мире науки. 2004. №4.
Райзен, И. Новый сюрприз Вселенной: темная Энергия / И. Райзен // Наука и жизнь. 2004. №3.