100 великих загадок астрономии - Александр Викторович Волков

Одинокие планеты могут перелетать из одной галактики в другую

Все обнаруженные до сих пор планеты располагались в окрестности звезд, образуя такие же (пусть и очень экзотичные) планетные системы, как и наша. Однако ими одними не ограничивается этот странный мир далеких планет. Очевидно, множество планет, предполагали исследователи, блуждает в стороне от звезд, отбившись от них в результате каких-то коллизий. Астрометрический метод, описанный выше, не поможет их отыскать, ведь они по определению «одиноки» и никак не могут повлиять на движение какой-либо звезды.

И все-таки в начале 2011 года сразу две международные группы астрономов объявили, что ими открыты десять подобных планет-одиночек, которые представляют новую категорию небесных тел. Все они напоминают по своим размерам Юпитер.

Одна из этих групп в течение двух лет с помощью телескопа обсерватории Маунт-Джон в Новой Зеландии вела наблюдения примерно за 50 миллионами звезд, расположенных в центральной части Млечного Пути, причем за каждой приглядывали ежечасно. Другая группа использовала один из телескопов Европейской южной обсерватории, чтобы проверить и подтвердить выводы коллег. Результаты их работы были опубликованы в мае 2011 года на страницах журнала «Nature».

Обе группы исследователей применили в своей работе еще один метод поиска экзопланет, основанный на теории относительности Альберта Эйнштейна. Согласно этой теории, если планета случайно оказывается точно на одной линии между Землей и какой-либо далекой звездой, то она, словно линза, фокусирует свет, излучаемый ею. Благодаря так называемому эффекту «гравитационной линзы» возникает впечатление, что звезда на какое-то время вдруг ярко вспыхивает. Таким образом, по счастливой случайности можно разглядеть даже слабо светящиеся объекты, расположенные за тысячи световых лет от нас, например, планеты, которые иначе были бы не видны. Впрочем, поскольку Земля, экзопланета и какая-либо звезда лишь в исключительных случаях оказываются на одной линии, подобные открытия чрезвычайно редки.

За два года исследований ученые зафиксировали 474 вспышки такого рода. Почти во всех случаях они были вызваны, впрочем, звездой, заслонявшей более отдаленную звезду. Однако в десяти случаях эти вспышки длились менее двух суток. Очевидно, они могли быть вызваны именно крупной планетой, причем всякий раз в радиусе десяти астрономических единиц от нее не было видно никакой звезды.

В принципе радиус орбиты, по которой движется планета, может заметно превышать эту величину. Например, средний радиус орбиты Нептуна составляет около 30 астрономических единиц. Однако наблюдения показывают, что подобный пример являет собой скорее исключение. Поэтому, по оценке исследователей, лишь четверть обнаруженных во время этого эксперимента экзопланет обращаются вокруг какой-либо звезды. Все остальные блуждают по просторам нашей Галактики в полном одиночестве.

На первый взгляд кажется, что итоговая цифра необычайно мала. Однако если учесть, что в поле зрения астрономов попала лишь небольшая часть звезд, составляющих Галактику, и тем не менее им удалось найти десяток «осиротевших» планет, то можно предположить, что небесные тела, относящиеся к этой категории, очень широко распространены. По оценке самих исследователей, одинокие планеты могут так же часто встречаться в космосе, как и экзопланеты, обращающиеся вокруг звезд и составляющие свои планетные системы. По расчетам Такахиро Суми из Осакского университета, в одном только Млечном Пути насчитывается до 400 миллиардов «космических бродяг».

Астрономы уже выдвигают гипотезы, объясняющие происхождение подобных планет. Когда идет формирование планетной системы, орбиты только что образовавшихся планет зачастую располагаются слишком близко друг к другу, и потому эти планеты особенно чувствительны к гравитационным возмущениям. Они легко могут сойти со своей орбиты и даже удалиться от звезды, вокруг которой они обращались. «Результаты, полученные нами, свидетельствуют, что планетные системы нередко бывают крайне нестабильны, и планеты в результате различных коллизий могут быть отброшены далеко в сторону от звезды, в окрестности которой родились», – отмечает исследователь из НАСА Дэвид Беннетт. Особенно часто эта судьба ожидает небольшие планеты. Сформировавшиеся рядом с ними планеты-гиганты, подобно кукушатам, вышвыривают их из «родного гнезда».

Планетолог Дэвид Стивенсон из Калифорнийского технологического института считает, что на одиноких планетах размером с нашу Землю вполне может существовать вода в жидком виде, если они окружены водородной атмосферой, сберегающей тепло. «В таком случае температура их поверхности лежит выше точки замерзания воды, и там могут простираться целые океаны», – отмечает он в интервью журналу «Nature». И на таких планетах даже может сохраниться жизнь, полагает Дэвид Беннетт.

Пока астрономам остается лишь строить догадки, ведь имеющаяся в их распоряжении аппаратура практически не позволяет выявить планеты, сравнимые по своим размерам с Землей и тем более Меркурием или Марсом. Как правило, сейчас удается обнаруживать лишь гигантские экзопланеты. Поэтому небольшие небесные тела, блуждающие по просторам космоса вдали от звездных систем, еще долгое время могут оставаться незамеченными.

Очевидно, с появлением космических телескопов нового поколения уже в следующем десятилетии, в начале 2020-х годов, астрономы начнут планомерный поиск планет, отбившихся от своих звезд. А что если и в окрестности Солнца когда-то располагались не только восемь известных нам сегодня больших планет, но и другие планеты, которые не удержались на своих орбитах и покинули Солнечную систему? Этакие «Фаэтоны», полетевшие не к Солнцу, а на огонь далеких звезд?

А кстати, могут ли одинокие планеты перелетать из одной галактики в другую? В 2010 году астрономы обнаружили уникальную планету HIP 13044b. Похоже, она сформировалась за пределами Млечного Пути, отмечают исследователи на страницах журнала «Science». Эта планета весит примерно в 1,25 раза больше, чем Юпитер, и обращается вокруг очень старой звезды HIP 13044, которая уже превратилась в красного гиганта. Обе они – и планета, и звезда – входят в состав карликовой галактики, поглощенной Млечным Путем от 6 до 9 миллиардов лет назад. Так что вместе с подобными галактиками, которые пополнили наш «звездный остров», нам достался и мир их планет. И, скажут оптимисты, инопланетяне их тоже.

Загадки черных дыр

Черные дыры настолько загадочны, что даже Альберт Эйнштейн не верил в то, что их можно отыскать где-то в космической дали. Само их существование, впрочем, следовало из его теории относительности. Однако на протяжении полувека черные дыры считались чем-то вроде блистательной и безответственной игры ума. Результатом математических экзерсисов, которые не имеют отношения к реальности.

В 1916 году немецкий астроном Карл Шварцшильд, анализируя эту теорию, сделал поразительное открытие: на определенном расстоянии от звезды время и пространство… могут меняться ролями. Пространство становится временем, а время – пространством. Во всяком случае, так гласили сухие математические формулы. Эти метаморфозы приключаются лишь со звездами, чей радиус крайне мал. Например, объект, масса которого равна массе Солнца, должен сжаться до радиуса, равного трем километрам, – только тогда он минует эту магическую границу превращений. Для Земли «радиус Шварцшильда» составляет всего 9 миллиметров. Но вряд ли в природе существуют столь крохотные тела, наделенные громадными массами. Этим все и успокоилось. На время.

Существование черных дыр следовало из теории относительности

Между тем было уже известно о существовании необычайно компактных звезд большой массы – «белых карликов». В 1930 году некий молодой человек, Субрахманьян Чандрасекар, путем вычислений установил, что звезды, чья масса не превышает 1,4 массы Солнца, в конце своей жизни превращаются в белых карликов размером с нашу планету. Что касается более массивных звезд, то под действием собственной силы тяжести они вроде бы должны неудержимо сжиматься. Процесс, который и вообразить трудно. Недаром ряд известных ученых высмеял гипотезу индийского студента, который впоследствии стал видным астрофизиком и лауреатом Нобелевской премии.

Однако в 1939 году американский физик Роберт Оппенгеймер вместе со своим учеником Хартлендом Снайдером доказали, что если масса звезды слишком велика, то никакая сила не способна остановить гравитационный коллапс. Идея Чандрасекара подтвердилась. Загадочный объект, полученный Шварцшильдом путем математических выкладок, обрел физический смысл.

Когда звезда сжимается, то в непосредственной близости от нее сила ее притяжения возрастает до невероятной величины. Пространство вокруг такой звезды все сильнее искривляется. Как только ее радиус становится меньше радиуса Шварцшильда, пространство, окружающее ее, смыкается, становится непреодолимым барьером. Никакое излучение, никакие частицы не могут вырваться из этой гравитационной ловушки. Звезда отгораживается от всего мироздания. Она становится невидимой. Как говорят астрофизики, она скрывается за «горизонтом событий», который можно представить себе в виде воображаемой сферы, что окружает «застывшую звезду» – черную дыру, как ее станут именовать впоследствии (это название придумал в 1967 году американский физик Джон Арчибальд Уилер). Радиус горизонта событий никогда не уменьшается. Черная дыра может только расти.