История всего. 14 миллиардов лет космической эволюции. - Нил Деграсс Тайсон

телескоп, наверняка различит Юпитер, но при этом должен будет смириться с тем фактом, что этого самого крупного обитателя Солнечной системы затмевает Солнце, которое светит ярче в миллиард раз. Наблюдения в инфракрасном диапазоне смогут немного помочь: разница в яркости уменьшится до миллиона, но по-прежнему будет представлять огромную проблему для выделения отдельных объектов, обладающих несопоставимо меньшей яркостью. О чем это нам говорит? О том, что около 150 экзопланет, которые удалось увидеть ученым в последнее время, обладают двумя общими характеристиками: они такие же крупные, как Юпитер, или даже крупнее него; большинство из них находятся от своих звезд дальше, чем Сатурн от Солнца — в три и даже в сто раз. Все изображения таких экзопланет, которые удалось получить с огромным трудом, обычно выглядят как туманные пятнышки, ничем не привлекающие к себе внимания. Всего известно о 5000 экзопланетах в 3600 планетных системах, но астрофизики никогда не видели ни одной, кроме тех, которые мы наблюдаем непосредственно в виде тех самых непримечательных пятен.

То, что вы могли бы счесть серьезным недостатком, на самом деле ярко иллюстрирует триумф науки, которая способна решать подобные проблемы. Например, с помощью следующего метода обнаружения планет, который носит название «гравитационное линзирование» и основан на идее Альберта Эйнштейна. Общая теория относительности Эйнштейна гласит, что силы гравитации искривляют пространство и, следовательно, искривляют пути световых лучей, проходящих вблизи массивных объектов, таких как звезды. Если, двигаясь в пространстве, звезда окажется на пути света, идущего к нам от другой, более далекой звезды, то гравитация ближней звезды сфокусирует свет далекой звезды подобно своеобразной линзе и вызовет резкий всплеск наблюдаемой яркости далекой звезды. Если у более близкой звезды есть одна или несколько планет, то каждая из них будет вызывать одинаковое, хотя и более короткое и гораздо менее выраженное увеличение яркости. Величина вторичных всплесков яркости зависит от масс объектов, которые их вызывают, а точное время между первичным и вторичным всплесками зависит от расстояний между звездой и планетой. Обследуя большое количество звезд каждую ясную ночь, получая все более точные данные об их яркости, астрофизики с помощью телескопов в Австралии и Соединенных Штатах смогли обнаружить таким способом более 150 экзопланет, что близко к числу, обнаруженному методом прямого наблюдения. Гравитационное линзирование хорошо работает для планетарных систем, находящихся от нас намного дальше, чем те, которые можно найти альтернативными методами, но все открытия, сделанные с его помощью, являются одноразовыми, поскольку движущаяся звезда никогда не вернется в то же положение по отношению к ее более удаленным соседкам.

К наиболее эффективным методам обнаружения экзопланет относится непосредственное наблюдение за звездами, а не их планетами. Такой способ помогает выявить кратковременные небольшие уменьшения их яркости либо периодические, повторяющиеся изменения в движении в пространстве (метод эффекта Доплера). Тщательно анализируя эти изменения в яркости или движении звезды, астрофизики могут сделать вывод о существовании одной или нескольких планет, вращающихся вокруг нее, и определить довольно широкий диапазон характеристик планет.

«Транзит» — прекрасный и древний астрономический термин. Он обозначает прохождение одного объекта непосредственно перед другим (поэтому пуристы могут настаивать на том, что события гравитационного линзирования также следует классифицировать как транзиты). Например, транзит Венеры случается, когда Венера проходит между Землей и Солнцем (ближайшие подобные события ожидаются в 2117 и 2125 годах). Соответственно транзит экзопланеты имеет место тогда и только тогда, когда плоскость ее орбиты совпадает с нашим лучом зрения на звезду. В подобных случаях, насколько невероятными они бы ни были, метод дает прекрасные плоды, но, если совпадения нет, обнаружить планеты по их транзитам не получится.

Чтобы применить этот метод, астрофизики должны сначала найти изменения в яркости, сигнализирующие о транзите, затем понаблюдать за несколькими последовательными транзитами и убедиться, что временные интервалы между ними остаются постоянными, чтобы не спутать данные явления с аномалией самой звезды. Проверка на регулярность интервалов сразу же позволяет определить период обращения планеты, а степень падения яркости звездного света — ее размер. Юпитер, например, будет уменьшать яркость света Солнца на 1 % при его транзите каждые 12 лет, в то время как Земля будет уменьшать яркость на 0,01 % каждый год.

Постоянное колебательное движение нашей атмосферы, вызывающее мерцание звезд при визуальном наблюдении, исключает возможность использования наземных обсерваторий для проведения точных измерений, но космические спутники свободны от этой помехи и могут помочь обнаружить экзопланеты размером даже меньше Земли. Планеты с более короткими орбитальными периодами обнаруживаются быстрее, тогда как для обнаружения планет, делающих один оборот вокруг своей звезды за несколько привычных нам лет, естественно, требуются более длительные наблюдения.

Наблюдение за транзитами заняло первое место среди других методов. С его помощью было открыто 3500 экзопланет — в три с лишним раза больше, чем другими способами. Учитывая, какие впечатляющие результаты показал спутник «Кеплер» (запущенный NASA в 2009 году и выведенный из эксплуатации в 2018), на околоземную орбиту были отправлены ныне действующие охотники за транзитами от NASA и Европейского космического агентства — TESS[44] и CHEOPS[45] соответственно. Позже Европейское космическое агентство планирует запустить еще один спутник — PLATO[46], который поможет астрофизикам открывать все новые экзопланеты и определять их свойства по транзитам. Для этого уже действующие аппараты (а также те, которые закончили свою миссию) либо исследуют большое количество звезд, например, «Кеплер» исследовал 150 000 звезд, TESS — 200 000, либо детально изучают экзопланеты, обнаруженные другими методами, как это делает CHEOPS.

Ну и еще один весьма успешный метод, имеющий на своем счету около тысячи побед на поприще охоты за экзопланетами, базируется на эффекте Доплера, с которым мы познакомились в главе 5. Он позволяет по свету галактики, испускаемому миллиардами звезд, определить направление движения этой галактики — к нам или от нас. Применяя тот же метод для анализа звезд Млечного Пути, астрофизики могут измерить скорость приближения или удаления от нас отдельно взятой звезды, и не имеет значения, движемся мы, звезда или и то и другое вместе взятое. Для звезд, вращающихся вокруг центра Млечного Пути и не имеющих планет, эта скорость должна оставаться постоянной (в масштабах человеческой жизни, конечно же). Но если звезду сопровождает одна или несколько планет, их гравитационные силы, хотя и сравнительно слабые, по мере движения планет по своим орбитам будут немного тянуть звезду сначала в одном направлении, а затем в другом. Этот простой факт непреложного действия ньютоновских законов движения и гравитации уже помог получить обширные сведения о множестве экзопланет.

Астрофизики обнаружили, что если скорость удаления или приближения звезды немного превышает ее среднее значение,