Разведка далеких планет - Владимир Сурдин

Ближайшая из открытых экзопланет принадлежит знаменитой звезде ε Эридана (ε Eri), одной из двух первых звезд, от которых в рамках проекта «Озма» (1960 г.) радиоастрономы пытались поймать сигналы внеземных цивилизаций. Вторым объектом этого проекта была еще более известная звезда τ Кита, но у нее планеты пока не найдены. Обе эти звезды входят в тридцатку ближайших звезд и в целом похожи на Солнце, хотя немного меньше и тусклее него. Планета ε Eri b в полтора раза массивнее Юпитера и движется по орбите с большой полуосью 3,4 а. е. Казалось бы, сходство системы ε Eri с Солнечной системой налицо, осталось найти там планеты земного типа и обнаружить у них биосферу. Но тут есть серьезная проблема: планета — гигант ε Eri b движется по сильно вытянутой орбите с эксцентриситетом 0,7, при этом она приближается к «зоне жизни» звезды (диапазон расстояний, в котором на поверхности планеты возможно существование жидкой воды) и мешает устойчиво двигаться там планетам земного типа. Но все же ситуация не безнадежна, и нужно продолжать поиск.

Обнаружение первых внесолнечных планетных систем стало одним из крупнейших научных достижений XX в. Решена важнейшая проблема: Солнечная система не уникальна, формирование планет рядом со звездами — закономерный этап эволюции. Несколько столетий астрономы бьются над загадкой происхождения Солнечной системы. Главная проблема в том, что нашу планетную системы до сих пор не с чем было сравнивать. Теперь ситуация изменилась: в последнее время астрономы открывают в среднем по одной планете в неделю; в основном это планеты — гиганты, но уже созданы приборы, способные обнаруживать планеты земного типа. Становятся возможными классификация и сравнительное изучение планетных систем. Это значительно облегчит отбор жизнеспособных гипотез и построение правильной теории формирования и ранней эволюции планетных систем, в том числе нашей Солнечной системы.

В то же время стало ясно, что наша планетная система нетипична: ее планеты — гиганты, движущиеся по круговым орбитам вне «зоны жизни» (область умеренных температур вокруг Солнца), позволяют длительное время существовать внутри этой зоны планетам земного типа, одна из которых — Земля — даже имеет биосферу. Среди обнаруженных планетных систем большинство не обладает этим качеством. Мы понимаем, конечно, что массовое обнаружение преимущественно горячих юпитеров — временное явление, связанное с ограниченными возможностями нашей техники. Но сам факт существования таких систем поражает: очевидно, что газовый гигант не может сформироваться рядом со звездой — но тогда как же он туда попал?

В поисках ответа на этот вопрос теоретики моделируют формирование планет в околозвездных газово — пылевых дисках и узнают при этом много нового. Оказывается, планета в период своего роста может мигрировать по диску, приближаясь к звезде или удаляясь от нее, в зависимости от структуры диска, массы планеты и ее взаимодействия с другими планетами. Эти теоретические исследования чрезвычайно интересны: результаты моделирования можно сразу проверять на новом наблюдательном материале. Расчет эволюции протопланетного диска на хорошем компьютере занимает около недели, а за это время наблюдатели успевают открыть новую планетную систему.

Нередко эти открытия ставят теоретиков в тупик. Так, неожиданностью стало в 2005 г. сообщение об открытии планеты в системе тройной звезды HD 188753 (с. 9 цветной вкладки). Там горячий юпитер обращается с периодом 3,35 сут. вокруг очень похожей на Солнце звезды HD 188753А, у которой есть еще пара небольших звезд — спутников (HD 188753В и HD 188753С). Эти две звездочки совершают взаимный пируэт с периодом 156 сут. и обращаются вокруг главной звезды HD 188753А с периодом 25,7 года по эксцентричной орбите, занимая область между орбитами Юпитера и Урана. Обнаружение планеты в системе двойной и даже тройной звезды само по себе не стало сенсацией: такие примеры уже были известны и даже получили прозвище «татуинских планет» (намек на родную планету Скайуокера из киноэпопеи «Звездные войны»). Но в предыдущих случаях звезды располагались на больших расстояниях друг от друга и почти не вмешивались в формирование планетных систем вокруг каждой из них. В случае же HD 188753 область формирования планет — гигантов оказалась занятой парой звезд — спутников. Где же тогда сформировался горячий юпитер HD 188753А b до того, как он мигрировал к своему нынешнему положению вблизи хозяйской звезды? Теоретики не могут ответить на этот вопрос и поэтому надеются, что существование «татуинской» планеты HD 188753А b не подтвердится. А наблюдатели пока спорят, существует эта планета или нет.

Рис. 6.10. Схема тройной звезды HD 188753. Рядом с более крупным одиночным компонентом, возможно, движется планета — гигант. Если ее существование подтвердится, это станет проблемой для теории формирования планет.

Хотя проблемы формирования и эволюции планетных систем очень интересуют астрономов, большинство людей проявляет к экзопланетам чисто «биологический» интерес. Им хотелось бы знать, когда и какими методами будут открыты планеты, подобные Земле, — с водной оболочкой и атмосферой. Если планета уже найдена и орбита ее определена, нетрудно вычислить, попадает ли эта планета в «зону жизни» родительской звезды. Одна такая планета, возможно, уже найдена: это Глизе 58 lg (GJ 581g). Она массивнее Земли примерно втрое и удалена от своей звезды ровно настолько, что температура на ее поверхности должна быть близка к 0°С. По оценкам, эта планета может удерживать атмосферу земного типа и иметь на поверхности жидкую воду. Но большой уверенности эта оценка не дает: то, что вода (именно жидкая вода) может существовать на планете, еще не означает, что она там есть. Для более надежного определения состава атмосфер землеподобных экзопланет нужны не фотометрические, а спектроскопические наблюдения. Такие проекты сейчас осуществляются: это американские космические обсерватории TPF‑C (звездный коронограф) и TPF‑I (звездный интерферометр), а также европейская обсерватория «Дарвин». Но эти аппараты отправятся на орбиту не раньше 2015 г.

Без преувеличения можно сказать, что открытие внесолнечных планет — это великое событие в истории науки. Сделанное на исходе XX в., оно в перспективе станет одним из важнейших событий прошедшего века наравне с овладением ядерной энергией, выходом в космос и открытием механизмов наследственности. Уже сейчас ясно, что недавно начавшийся XXI век станет временем расцвета планетологии — ветви астрономии, изучающей природу и эволюцию планет. Несколько столетий лаборатория планетологов ограничивалась дюжиной объектов Солнечной системы, и вдруг, всего за несколько лет, число доступных объектов увеличилось в десятки раз, а диапазон условий, в которых они существуют, оказался обескураживающе широким. Современного планетолога можно уподобить биологу, который многие годы изучал лишь флору и фауну пустыни и вдруг попал в тропический лет: сейчас планетологи находятся в состоянии легкого шока, но скоро они оправятся и сориентируются в гигантском многообразии новооткрытых планет.

Вторая наука, а точнее протонаука, ощущающая мощный эффект от открытия планет у иных звезд, — это биология внеземной жизни, экзобиология. Учитывая темп обнаружения и исследования экзопланет, можно ожидать, что XXI век принесет нам открытие биосфер на некоторых из них и ознаменует этим долгожданное и окончательное рождение экзобиологии, до сих пор развивавшейся в латентном состоянии из‑за отсутствия реального объекта исследования.

7. Планеты — карлики

За пределом Большой восьмерки

Вот мы и «вернулись из разведки», обнаружив восемь больших планет в нашей Солнечной системе и около пятисот очень больших планет в других планетных системах. Попутно узнали (главы 4 и 6), что кроме полновесных, настоящих планет, многие звезды окружены роями мелких тел — астероидов, карликовых планет, комет, межпланетной пыли… Присутствие мелкой пыли без особого труда обнаруживается даже у далеких звезд: обладая большой суммарной поверхностью, пылинки перехватывают заметную долю оптического излучения своей звезды и, нагревшись, переизлучают эту энергию в инфракрасном диапазоне. Именно избыток ИК — излучения в спектре звезды заставляет предположить наличие вокруг нее пылевого облака или диска. Иногда его удается сфотографировать (см. рис. 6.9). Хотя отношение к бытовой пыли у нас сугубо отрицательное, космическая пыль очень интересует астрономов и служит объектом пристального исследования. Без сомнения, очень велика ее роль в рождении звезд и планет, поскольку пылинки — главные охладители межзвездной среды, способствующие ее сжатию и конденсации. Не менее важна роль пылинок как катализаторов химических реакций в межзвездном и межпланетном пространстве. Не исключено, что первые шаги в эволюции живого вещества тоже были сделаны благодаря космической пыли. Но эту интересную тему мы оставим для другого рассказа, а раз уж отправились на разведку планет, то ими и ограничимся.