Хотите переселиться на другую планету? Что ж, пока на выбор — сверхземля с гигантским притяжением, планета с двумя солнцами, планета без солнц вообще, Полтергейст у звезды Лич и реальный Татуин. Рассказываем, как астрономы находят экзопланеты.
Идея множественности миров, в той или иной степени похожих на Землю, возникла в античности. Конечно, были периоды, когда в космологических представлениях преобладали геоцентризм и гелиоцентризм, однако даже тогда встречалось мнение, что наша планета — не уникальное место во Вселенной. К началу ХХ века астрономы получили достаточно информации о звёздах, относящихся к тому же классу, что и Солнце, и вроде бы не было причин сомневаться, что у них есть планетные системы.
Но к тому времени академическая наука выработала строгие правила: если некий объект не зафиксирован прямым наблюдением, его существование остаётся гипотетическим. Ни один из астрономических приборов не позволял увидеть планеты у соседних звёзд, поэтому любые исследования и дискуссии по вопросу считались спекуляциями на интригующей теме. Со временем даже закрепилось мнение, что планетные системы — большая редкость в Галактике, и найти их будет непросто.
Шуточные туристические постеры экзопланет.
Открытие века
В знаменитом научно-фантастическом рассказе Альфреда Ван Вогта «Чудовище» (1948) описывается ситуация далёкого будущего, когда на Землю, опустошённую космическим катаклизмом, прилетают инопланетяне. Они воскрешают местного жителя, и вскоре выясняется, что человечество освоило множество «волшебных» технологий, включая индивидуальную телепортацию, но всё равно погибло, потому что не сумело изобрести «локатор», который находит пригодные для жизни планеты у соседних звёзд.
Задача и впрямь казалась неразрешимой: на фоне света любой звезды малореально различить отражённый свет планеты, тем более с расстояния в несколько парсеков. Тем не менее попытки такого рода предпринимались. Например, известно, что планета оказывает гравитационное влияние на своё светило — фактически они вращаются вокруг общего центра масс (барицентра). Поскольку звезда массивнее, её условная орбита будет намного меньше, но методами астрометрии её теоретически можно зафиксировать.
Первые расчёты по изменениям в положении звёзд под влиянием планет сделал английский астроном Уильям Джейкоб ещё в XIX веке, а в 1963 году голландец Питер ван де Камп заявил, что обнаружил периодические колебания в движении звезды Барнарда, которую называют «Летящей» за высокую скорость относительно Солнца (142,6 км/с). Он наблюдал за ней с 1938 года, проводя кропотливые сравнения фотографий, и пришёл к выводу, что у звезды Барнарда есть как минимум одна планета-гигант, в полтора раза массивнее Юпитера.
Позднее ван де Камп уточнил результат своего исследования, заявив, что колебания создают две планеты-
гиганта меньших размеров. Его открытие приняли с восторгом, однако в 1973 году появилось сразу несколько публикаций от коллег, которые не смогли подтвердить открытие. Хуже того, американские астрономы показали, что надёжность обнаружения планет методом астрометрии всегда будет под вопросом, поскольку за колебания звезды под воздействием гравитации невидимых планет легко принять искажения, проявляющиеся после очистки или замены объектива телескопа.
Но Питер ван де Камп не внял доводам критиков, а его соратники, используя астрометрический метод, объявили об открытиях планет у других звёзд. Например, в 1977 году сотрудники Пулковской обсерватории заявили, что у двойной звезды 61-й Лебедя есть три планеты-гиганта, масса каждой из которых в разы превосходит массу Юпитера. Полемику вокруг открытий заметили популяризаторы и фантасты, которые сразу заняли сторону оптимистов, согласившись, что колебания в движении светил говорят о наличии невидимых планет.
Аномальные миры
Следующий шаг в поисках планет сделали в 1991 году поляк Александр Вольщан и канадец Дейл Фрейл. Изучая пульсар PSR 1257+12 (Лич), они обнаружили, что частота приходящих от него импульсов периодически изменяется. Объяснение могло быть только одно: вокруг пульсара обращаются невидимые тела. Всего удалось определить присутствие трёх планет, сопоставимых по размеру с Землёй. Позднее им дали имена в честь сверхъестественных существ: Драугр, Полтергейст и Фобетор.
Хотя, в отличие от предшественников, Вольщан и Фрейл получили надёжные доказательства, их открытие не вызвало большого интереса. Дело в том, что с точки зрения науки они обнаружили «неправильные» планеты. Пульсар возникает при взрыве сверхновой, который разрушает планетную систему — все тела в ней либо испаряются, либо выбрасываются в свободный полёт. Поэтому «пульсарные» объекты, вероятнее всего, образовались после взрыва из остатков звезды и представляют собой редкие аномалиии, по которым нельзя судить о распространённости и свойствах планет у обычных звёзд.
Первое открытие настоящей экзопланеты состоялось позже. 6 октября 1995 года Мишель Майор и Дидье Кело из Женевского университета (Швейцария) заявили, что им удалось обнаружить планету у солнцеподобной звезды Гельветиос (51-я Пегаса), которая находится от нас на расстоянии 49 световых лет. Майор писал докторскую диссертацию, посвящённую отклонениям в траекториях звёзд под гравитационным воздействием рукавов Галактики.
Для измерения отклонений требовалось определить собственную скорость звезды, и это делали, опираясь на эффект Доплера. Известно, что, когда звезда приближается к нам, её спектр смещается в синюю область, а когда удаляется — в красную. Если повысить точность измерения, станут заметны смещения, связанные не только с движением звезды относительно Земли, но и с движением вокруг барицентра. То есть метод фиксирует те же параметры, что и астрометрический, но более надёжно.
В качестве шкалы использовались пары йода. Прозрачная ячейка с ними помещалась в телескоп таким образом, чтобы на выходе получался смешанный спектр. Оказалось, что такое наложение позволяет масштабировать самые ничтожные смещения в излучении звезды, заметно усиливая эффект.
Майор и его ассистент Кело работали с телескопом обсерватории Верхнего Прованса на юге Франции. К концу 1994 года они провели 12 измерений скорости 51-й Пегаса — и сразу поняли, что имеют дело с чем-то исключительным. Изменения в спектре указывали на наличие у звезды невидимого спутника, но попытки рассчитать его физические характеристики приводили к абсурдному выводу. Предполагаемая планета была вдвое легче Юпитера, но всё равно оставалась гигантом. Такие планеты в Солнечной системе находятся на дальних орбитах, а обнаруженное небесное тело было в 20 раз ближе к своей звезде, чем Земля к Солнцу!
Существование подобного объекта разом перечёркивало сложившие представления астрофизиков о том, как формируются планеты. Поэтому Майор решил перепроверить результаты, проведя новую серий наблюдений в июне 1995 года. И всё подтвердилось! Фактически в те дни была открыта не одна планета, а целый их класс, названный «горячими юпитерами».
Доплеровский метод развивали не только швейцарцы. Параллельно в Университете Беркли (США) работала группа под руководством Джефа Марси и Пола Батлера. Их оборудование было совершеннее, а поиски планет — более систематическими. Они тоже обратили внимание на 51-ю Пегаса, но исключили её из списка кандидатов на изучение, поскольку в каталоге она ошибочно значилась как «вспыхивающая». Когда же швейцарцы объявили о своём открытии, то американцам ничего не оставалось, как подтвердить его.
Спор о приоритете продолжался много лет, и по итогам Нобелевскую премию 2019 года в области физики за открытие первой экзопланеты получили только Мишель Майор и Дидье Кело.
Невидимое разнообразие
Экзопланета, открытая швейцарцами и ныне известная под именем Демидий, вдохновила других астрономов на поиски «горячих юпитеров». За счёт своих размеров и близости к родительской звезде они дают довольно сильное смещение в спектре, что легко обнаруживается доплеровским методом. Однако у него есть серьёзный недостаток — высокая приборная селекция, которая не позволяет надёжно определить наличие планет малой массы на орбитах, близких к круговым.
В конце ХХ века всё чаще начал использоваться метод транзитной фотометрии. Когда экзопланета проходит по диску звезды, то влияет на её светимость — возникает своего рода солнечное затмение. Конечно, такие транзиты можно было наблюдать и ранее, но снижение светимости, особенно у далёких звёзд, столь незначительно, что его невозможно зафиксировать без использования специальной техники. Например, планета размером с Землю, проходящая через солнцеподобную звезду, производит затемнение только на 0,008%.
Современные компьютеры, способные обрабатывать большие массивы данных, решают эту проблему, но не до конца. Как показала практика, немногие из экзопланет имеют удобные для наблюдения орбиты, поэтому метод имеет смысл использовать не для изучения конкретных миров, а для сбора статистики. Кроме того, есть шанс снять спектр отражённого света транзитной планеты, что даст поистине бесценную информацию.
В 1999 году новый метод опробовали на экзопланете Озирис (HD 209458 b), находящейся в созвездии Пегаса и открытой ранее с помощью доплеровской спектроскопии. Она ожидаемо оказалась «горячим юпитером». В марте 2005 года специалисты NASA провели прямое наблюдение Озириса в инфракрасном свете с помощью космического телескопа «Спитцер»; позднее удалось снять спектры экзопланетной атмосферы, которая в основном состоит из водорода и углерода. Также в ней был обнаружен водяной пар, но эти данные ещё требуют проверки.
Метод транзитной фотометрии использовался в проекте «Трансатлантический экзопланетный обзор» (Trans-Atlantic Exoplanet Survey, TrES), который объединил три телескопа разных обсерваторий. В его рамках с 2004 по 2011 год были открыты ещё пять «горячих юпитеров».
Настоящий прорыв в поисках экзопланет произошёл после запуска двух космических телескопов — CoRoT (Convection, Rotation and planetary Transits) и «Кеплер». Первый обнаружил 30 подтверждённых экзопланет, второй — свыше 2300, среди которых есть и землеподобные. Телескопы фиксировали изменения в светимости большого количества звёзд, находящихся в определённых участках неба, что позволило собрать массив данных о распространённости классов экзопланет в Галактике. Практически половина из них имеет сравнительно небольшие размеры, а 78 вращаются в зонах обитаемости своих светил, то есть могут быть местом, благоприятным для появления и развития жизни.
Кстати, ни у звезды Барнарда, ни у 61-й Лебедя после внедрения новых методов поиска планеты-гиганты так и не были обнаружены — «открытия» 1970-х не подтвердились.
Ближайшая цель
За 25 лет поисков выявлено уже 4100 миров. Сегодня считается доказанным, что экзопланет очень много; что они могут формироваться у двойных и тройных звёзд; что существуют планетные системы, подобные Солнечной; что у экзопланет есть атмосферы, в которых можно найти водяные пары и простейшую органику. Найдена древняя экзопланета возрастом 12,8 миллиарда лет и совсем юная, которой всего два миллиона лет. Методом гравитационного микролинзирования зафиксированы две экзопланеты в галактике Туманность Андромеды. Методом коронографии, «убирающим» свет звезды, получены первые прямые фотоснимки экзопланет. В космосе работает обсерватория TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite), сменившая «Кеплер».
Однако наибольший интерес вызывают, конечно, «сёстры» Земли. Ведь мы точно знаем, что условия на планете, похожей на нашу, будут самыми подходящими для жизни. Если даже она стерильна, то всё равно будет выглядеть привлекательной, поскольку когда-нибудь может стать новым домом для человечества.
Первую землеподобную экзопланету в зоне обитаемости обнаружил телескоп «Кеплер», о чём было объявлено в апреле 2014 года. Она получила обозначение Kepler-186f и до сих пор остаётся одним из лучших кандидатов на статус второй Земли. Но в ближайшем будущем мы вряд ли сумеем узнать о ней больше, ведь звезда, вокруг которой вращается эта планета, находится в 582 световых годах от нас. Поэтому имеет смысл приглядеться к тем, что рядом.
В августе 2016 года международная группа учёных, которую возглавил астрофизик Гиллем Англада-Эскуде, сообщила, что методом доплеровской спектроскопии удалось выявить землеподобную планету у Проксимы Центавра — самой близкой к Солнцу звезды, которая находится на расстоянии 4,2 световых года от нас. При этом круговая орбита планеты лежит в зоне обитаемости.
Проксима — красный карлик и известна суровым нравом: на ней постоянно происходят мощные вспышки. При этом планета находится под потоком рентгеновского излучения, мощность которого примерно в 400 раз выше, чем та, которую излучает наше Солнце. Впрочем, если собственное вращение планеты синхронизировано с вращением вокруг звезды, то она всегда повёрнута к светилу одной стороной, а на узкой полосе между дневным и ночным полушариями должны поддерживаться сносные условия для жизни. При наличии сильного магнитного поля, плотной атмосферы и запасов воды планета будет вполне пригодна для колонизации.
Больше подробностей об этом мире астрономы надеются получить с помощью Очень большого телескопа (он так и называется — Very Large Telescope, VLT), который начал работу в чилийской пустыне Атакама. Его приборного разрешения хватает, чтобы определить, есть ли у ближайшей к нам экзопланеты атмосфера, а если да, то каков её состав. После этого можно будет строить обоснованные модели и обсуждать возможность отправки исследовательского зонда.
* * *
Мрачное пророчество Альфреда ван Вогта не оправдалось: земляне сумели построить «локатор», который находит планеты у других звёзд. Осталось научиться туда летать.