Инопланетные системы
В наши 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?…
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, другим 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 Питер 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 парсека. 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 Барнарда могут вызывать три планеты, но с другими характеристиками.
На основании похожих наблюдений сделали вывод, что планеты имеются и у компонента А двойной звезды 61 Лебедя, находящейся от нас на расстоянии 3,4 парсека. Еще раньше были выдвинуты гипотезы о существовании планет вблизи звезд Проксима Центавра, Крюгер 60А 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.
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 Стейн Сигурдссон, работающие с орбитальным телескопом «Хаббл». Они обнаружили газообразную и довольно массивную планету у пульсара PSR В1620-26, который находится на расстоянии 1717 парсек от Земли, в звездном скоплении М4. Особенность этой планеты в том, что ее возраст составляет 12,713 миллиарда 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.
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. Следовательно, 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 парсека. 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!).
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» планета 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, 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, которое 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.
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 парсека, 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 астрономической 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 раза больше, чем у Юпитера, а радиус орбиты — 0,43 астрономической 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.
