Планеты двух солнц
Архивы NASA насчитывают полтора миллиона записей наблюдений прохождений далеких планет по дискам звезд. Такие прохождения в астрономии называют транзитами. Наблюдать сравнительно несложно. Бухгалтер из Ганновера садится в пятницу в свой лендровер и выезжает за 40 км от города, чтобы избавиться от засветки. В кузове у него установлен 12-дюймовый автоматизированный телескоп с GPS-приемником и компьютерным управлением. Три ночи он наблюдает транзиты экзопланет, оперативно, прямо в поле, обрабатывает полученные данные и отправляет по Интернету записи наблюдений в архив в Праге.
Что дают такие любительские наблюдения? Они, как ни странно, позволяют вычислить расстояние планеты от центральной звезды, ее размер и даже температуру поверхности. Пока тысячи любителей астрономии по всему миру еженощно вносят свой вклад в науку, изучая уже открытые экзопланеты, профессиональные астрономы занимаются более сложным делом — их поисками. Эта задача намного труднее. Если поделить все средства, потраченные на поиск экзопланет, на их количество, можно подсчитать, что одно такое открытие обходится в сотни тысяч долларов.
На границе фантастики и науки
Астрономический проект SOLARIS, посвященный поискам экзопланет, получил свое название в честь известного романа польского писателя-фантаста Станислава Лема (Stanisław Lem), в котором предложена концепция планеты, вращающейся вокруг двух звезд. Десять лет спустя Джордж Лукас (George Lucas) в фильме «Звездные войны» изобразил планету Татуин, на небе которой светят два солнца.
Согласно роману Лема, Солярис — тело планетных размеров, движущееся по сложной орбите вокруг двух светил. На нем присутствует атмосфера, непригодная для дыхания человека. Солярис привлек внимание ученых потому, что его орбита не укладывалась в законы небесной механики: по расчетам этот объект должен был давно уже упасть на поверхность одной из звезд, но из-за необъяснимых флуктуаций этого не происходило.
При дальнейшем исследовании планеты выяснилось, что практически всю ее покрывает океан из живой студенистой субстанции, которая и является ее единственным обитателем. Эта субстанция могла корректировать планетную орбиту без каких-либо инструментов, путем непосредственного изменения метрики пространства-времени. Выдвигалось множество гипотез о природе, организации и уровне развития Океана, но в итоге был сделан вывод, что Океан — существо, обладающее высокоразвитым разумом и предпринимающее действия по коррекции орбиты вполне сознательно.
…Долгое время планеты других звезд нашей Галактики существовали только в фантастических романах. Среди астрономов укоренилось убеждение, что в ходе звездной эволюции могут образовываться либо двойные (кратные) звезды, либо «одиночные» светила с планетными системами. Но вот наступила эпоха реальных открытий экзопланет — и постепенно стало ясно, что действительность выглядит намного сложнее.
На данный момент подтверждено существование более 1800 экзопланет. Считается, что общее их количество в пределах Млечного Пути может доходить до сотни миллиардов, а примерно десятая часть из них относится к категории «землеподобных» (по массе и размерам сравнимых с нашей Землей). Несколько миллиардов этих планет располагаются в «зоне обитаемости» в окрестностях солнцеподобных звезд, то есть на их поверхности вполне могут иметься условия для возникновения жизни… И кажется поразительным, что до сих пор мы не нашли ни одной обитаемой планеты, кроме нашей.
Не секрет, что многие серьезные научные открытия делаются случайно. Так были открыты и первые экзопланеты, причем в совершенно не подходящем, казалось бы, для этого месте — в окрестностях радиопульсара PSR B1257+12, расположенного в созвездии Девы. В 1991 г. работавший в США польский астроном Александр Вольщан (Aleksander Wolszczan) заметил периодическое изменение частоты приходящих от него импульсов. Вместе с канадским коллегой Дейлом Фрейлом (Dale Frail) он разработал довольно сложную методику анализа этих вариаций. Их можно было объяснить, только предположив наличие у пульсара двух спутников, по массе вчетверо превышающих Землю. Позднее более тщательный анализ позволил обнаружить в системе еще одно тело с массой около двух масс Луны.
К сожалению, пульсар — сверхплотная нейтронная звезда радиусом около 15 км, вдобавок совершающая около 160 оборотов в секунду — вряд ли справится с задачей поддержания жизни на своих спутниках. Однако методика обнаружения экзопланет, разработанная радиоастрономами Вольщаном и Фрейлом, легла в основу проектов SOLARIS и TATOOINE, посвященных поискам планетоподобных тел в системах двойных звезд.
Основное направление поисков связано с изучением объектов, располагающихся в окрестностях одиночных солнцеподобных звезд. Двойные звезды придают этой теме экзотический окрас. Возникают вопросы: зачем усложнять себе жизнь? Стоит ли тратить время на столь редкие объекты, и если стоит — то с какой целью?
Любая жизнь, как правило, зарождается тайно, вдали от любопытных глаз. Говоря о планетах, мы должны четко понимать, КАК и ГДЕ они зарождаются и сколько на это требуется времени. Следует помнить еще один принцип: Природа, как всякая мать, заботится о сохранности и безопасности своего «потомства». Это легко проследить на примере жизни на Земле. Пережив не одну глобальную катастрофу, она, тем не менее, существует уже миллиарды лет. Конечно, это гипотеза, в лучшем случае — постулат. Но не будем забывать, что всякая наука (даже математика!) зиждется на постулатах.
В 1990-е годы было показано, что частота встречаемости двойных звезд старше миллиарда лет среди всех звезд, видимых на небе, составляет 57%. Учитывая такую высокую частоту встречаемости двойных систем, можно утверждать, что оценить общую статистическую распространенность и свойства экзопланет, не решив проблему их существования у двойных звезд, не удастся.
Формирование планет происходит в газово-пылевых дисках, окружающих молодые звезды. Их рост обеспечивается процессами аккреции — выпадения вещества на планетезимали (зародыши планет). Многочисленные эксперименты и компьютерные модели показали, что такая аккреция может происходить и в двойных звездных системах.
Несколько лет назад была проанализирована динамика ближайшей к Солнцу системы α Центавра — прототипа тесной двойной системы звезд солнечного типа, находящихся на расстоянии 23 астрономических единиц друг от друга. Напомним, что астрономическая единица — это среднее расстояние от Земли до Солнца (149 597 870 км), а радиус орбиты самой внешней планеты Солнечной системы — Нептуна — равен 30 а.е. Выяснилось, что планетезимали в этой системе вполне могут «дорасти» до планет. Детальное изучение показало, что планетные «эмбрионы» превращаются в объекты, сравнимые по массе с планетами земной группы, примерно за 50 млн лет.
Планеты в двойных и кратных звездных системах были предметом теоретических работ задолго до того, как их впервые обнаружили. В 80-е годы специалисты по небесной механике исследовали динамическую стабильность систем в широком диапазоне планетарных конфигураций в рамках так называемой задачи трех тел. Они нашли устойчивые конфигурации трех типов: Р-типа (планетного типа), S-типа (спутникового типа — планета обращается вокруг первой или второй звезды) и орбиты L-типа (вокруг так называемых стабильных точек Лагранжа L4 или L5).4 Таким образом были получены полезные формулы, позволяющие вычислять стабильные регионы для существования планет в системах двойных звезд.
Объекты, найденные в окрестностях точек Лагранжа L4 и L 5, часто называют «троянцами» и «греками» — поскольку крупные астероиды, которые движутся вблизи соответствующих точек системы «Юпитер-Солнце», получили имена героев Троянской войны. В Солнечной системе уже открыты тысячи троянских астероидов, причем не только на юпитерианской орбите. По аналогии можно предположить наличие планет вблизи точек Лагранжа и в системах двойных звезд.
Из небесной механики известно, что сравнительно небольшие объекты в окрестностях точек L4 и L 5 могут находится неограниченно долго, если отношение масс компонентов двойной системы превосходит величину 24,96. Это условие выполняется для систем «Юпитер-Солнце», «Земля-Солнце», «Земля-Луна». Более того: формально наша Земля могла бы спокойно быть одним из «троянцев» или «греков» на орбите Юпитера. Стабильные орбиты L-типа для планет существуют только в звездных парах с большой разницей масс — например, горячей звезды спектрального класса В и холодного красного карлика класса М. Именно с такой системой мы имеем дело на планете Татуин в фильме «Звездные войны», а значит, можно выдвинуть вполне обоснованное предположение о существовании планет-троянцев в окрестностях ее точек Лагранжа.
Заметим, однако, что обнаружение экзопланет на орбитах L-типа, как отмечалось выше, представляется намного более сложной задачей, чем их поиск вблизи одиночных звезд. К сожалению, они надежно скрыты от глаз наблюдателя. Планетам-троянцам обеспечены стабильные «безбедные» условия на протяжении миллиардов лет. Окрестности точек Лагранжа — настоящий «инкубатор» для планет, но об их существовании мы можем только догадываться. Открыть их пока никому не удалось.
Телескопы для поиска экзопланет
Сколько нужно потратить времени, чтобы открыть планету типа Юпитера за пределами Солнечной системы? Чтобы заметить одно прохождение неизвестного тела по диску звезды (транзит), нужно сделать не менее 70 высококачественных снимков участка неба площадью один квадратный градус — впятеро больше площади диска полной Луны. Каждый снимок содержит около 1000 звезд до 15-й величины. Необходимо зарегистрировать ослабление блеска одной из них вследствие частичного экранирования диском планеты примерно на 0,3%. Время транзита в среднем составляет несколько часов. Таким образом, требуется провести порядка 70 тыс. высокоточных измерений блеска, чтобы обнаружить один-единственный транзит. Если делать эту работу «вручную», на поиски уйдут годы.
Приведенную выше оценку вероятности обнаружения экзопланеты проделали специалисты, готовившие запуск космической обсерватории Gaia, одной из задач которой как раз и являются такие поиски.
Сейчас основные усилия «охотников за экзопланетами» направлены на создание автоматизированных систем телескопов-роботов. Любой научный проект в этой области связан с высоким риском и серьезными расходами. Примером таких предприятий являются проекты SOLARIS и TATOOINE, которые организовала группа молодых польских астрономов во главе с профессором Мацеем Koнацки (Maciej Konacki) из Торуньского университета.
Молодежный коллектив выиграл грант FOCUS Польского научного фонда и престижный грант Европейского исследовательского совета «Идеи». Для реализации своих проектов группа получила 5 млн долларов. В основном эти деньги пойдут на создание глобальной сети из четырех автоматических телескопов с диаметром зеркала 0,5 м, расположенных в Австралии, Южной Африке и Южной Америке. Главная цель проекта — получение высокоточных кривых блеска затменных переменных звезд, в системах которых предполагается наличие экзопланет. Точность определения моментов затмений должна составлять порядка одной секунды.
Управление телескопами и загрузка данных на компьютеры во всех четырех пунктах производятся автоматически и контролируются дистанционно из Торуня (Польша). Расположение наблюдательных станций по долготе таково, что один телескоп передает эстафету наблюдений другому, благодаря чему мониторинг выбранного объекта ведется непрерывно. Специфика наблюдений такова, что для обнаружения экзопланеты требуется время, сравнимое с периодом ее обращения вокруг центральной звезды. В некоторых случаях это может занять годы. Такова астрономическая жизнь.
Как найти экзопланету
Затменные переменные звезды хорошо известны любителям астрономии. Самая знаменитая из них — β Персея (Алголь), видимая невооруженным глазом. Переменность Алголя еще в 1782 г. открыл и объяснил англичанин Джон Гудрайк (John Goodricke). В данном случае две звезды образуют тесную двойную систему, вращаясь вокруг общего центра масс в плоскости, почти совпадающей с направлением на Землю, и при вращении поочередно затмевают друг друга, вызывая эффект переменности с периодом 2,87 суток. Технику обнаружения экзопланет лучше продемонстрировать на примере другой затменной системы (HW Девы) с весьма характерной кривой блеска. На первый взгляд трудно поверить, что в этой системе имеется два субзвездных компонента с массами, близкими к 19 и 8,5 масс Юпитера. Тем не менее, анализ кривой блеска, построенной по данным 24 лет наблюдений и включающей 250 минимумов, указывает на это вполне убедительно.
В основе метода обнаружения экзопланет лежит так называемый эффект времени путешествия светового луча (lighttravel-time effect), фактически обратный методу, с помощью которого датский астроном Оле Ремер (Ole Rømer), наблюдая затмения спутников Юпитера,7 в 1676 г. впервые оценил величину скорости света. Если две звезды вращаются вокруг общего центра масс и периодически затмевают друг друга, кривая блеска системы будет оставаться неизменной во времени только в том случае, если их движение ничто не возмущает. Если же в системе присутствуют планеты, то они, хоть и незначительно, но все же будут влиять на эту кривую — например, на моменты наступления минимумов яркости переменной, сдвигая их то вперед, то назад относительно среднего значения. Анализируя форму полученной кривой математическими методами, можно выделить строго периодические колебания, причем количество таких «волн» равно числу возмущающих тел (то есть планет), а период каждой «волны» равен периоду обращения отдельной планеты вокруг центра масс системы. Амплитуда отклонений позволяет оценить массу вызывающего их тела.
Вычисления показывают что периоды обращения планетоподобных объектов в системе HW Девы составляют 15,8 и 9,1 лет, а их массы — с учетом множителя — 19,2 и 8,5 масс Юпитера. Неизвестный множитель связан с незнанием угла наклона плоскости планетной орбиты к направлению на наблюдателя.
Отклонения моментов минимумов блеска от эфемеридных значений, вызванные воздействием невидимых планет, как отмечалось выше, могут составлять десятки секунд (радиус Солнца — чуть больше двух световых секунд). В случае HW Девы изменения положения звезды в пространстве под действием притяжения возмущающих объектов могут достигать пятидесяти солнечных радиусов, а смещения орбит — десятков миллионов километров. Чем меньше масса планеты, тем меньше эти изменения и тем меньше отклонения моментов минимумов от предвычисленных. При точности определения этих моментов порядка одной секунды можно надеяться обнаружить экзопланету, по массе сравнимую с Юпитером.
Основная цель проекта SOLARIS состоит в наблюдениях около трехсот двойных звезд. Телескопы способны обнаруживать экзопланеты с массами от примерно 0,3 и более масс Юпитера и с орбитальными периодами до 5,3 лет. (Для обнаружения экзопланет, по массе сравнимых с Землей, придется регистрировать вариации моментов затмений порядка двух миллисекунд, а смещение орбиты звезды составит 600 км — около тысячной доли радиуса Солнца). В основе большинства методов поиска экзопланет лежит регистрация отклонений характеристик звезд от их эфемеридных значений. Это может быть отклонение величины блеска, вызванное транзитом, смещение координат или изменение лучевой скорости звезды в результате возмущений со стороны планеты.
Космический телескоп Kepler способен улавливать вариации блеска порядка десятитысячной доли звездной величины. Если бы он наблюдал наше Солнце даже с расстояния в сотню световых лет, он бы смог «засечь» прохождение Земли по его диску. Космический аппарат GAIA может измерять координаты небесных объектов с точностью до десяти миллионных долей угловой секунды. Он способен обнаруживать планеты-гиганты на расстоянии до 500 световых лет.
Проект TATOOINE ориентирован на поиски экзопланет в тесных двойных системах, в которых с точки зрения наземных наблюдателей не происходит затмений. Он предназначен для регистрации изменений лучевых скоростей. Для высокоточного измерения скорости звезды используется техника йодистой ячейки, помещаемой на пути ее света в спектрографе. Газообразный йод имеет множество линий поглощения в видимой области спектра. Эти линии служат реперами для «привязки» спектральных линий звезды. Таким способом ее скорость движения относительно наблюдателя может быть измерена с точностью до 2 м/с (это скорость легкого ветерка на нашей планете). Как и в проекте SOLARIS, техника йодистой ячейки позволяет обнаруживать экзопланеты с массами, близкими к массе Юпитера. В одной из своих научных публикаций группа молодых польских астрономов во главе с профессором Koнаски, взявшаяся за реализацию венчурных проектов SOLARIS и TATOOINE, выразила благодарность студии Lucasfilm Ltd, вдохновившей их на поиск планеты Татуин.
А неугомонные исследователи ставят перед собой еще более амбициозные задачи — научиться обнаруживать не только экзопланеты, но и их спутники (экзолуны). Но это уже тема для отдельной статьи.
Источник