Еще живет то поколение людей, которое помнит о спорах астрономов: существуют ли внесолнечные планеты (есть ли планеты у других звезд)? Теоретически они существовали, но не практически – не существовало способа их обнаружения! Обнаружение планет у других звезд казалось фантастикой вплоть до последнего десятилетия XX века. И вот свершилось…
В астрономической литературе и на полосах научно-популярных изданий укоренился термин «экзопланета» - планета, находящаяся за пределами Солнечной системы (греческая приставка «экзо» означает «вне», «снаружи»). Впервые такие планеты были обнаружены косвенно в 1990-х годах по слабому «покачиванию» звезд, вокруг которых они обращаются. К середине 2001 года планетные системы были открыты у 58 близких к Солнцу звезд и двух радиопульсаров, причем в некоторых случаях обнаружены системы из нескольких планет, однако до сих пор ни одну из них не удалось непосредственно наблюдать и исследовать. Точное измерение движений звезды позволяет оценить массы наиболее крупных членов ее планетной системы и параметры их орбит.
Сегодня практически каждый месяц астрономы открывают новую экзопланету. Их поиском заняты сотни астрономов на различных обсерваториях мира. Это уже обыденная астрономическая практика! Далее мы вкратце рассмотрим историю поиска экзопланет (по материалам Л.Ксанфомалити), и если таковая информация вам не интересна, можете пропустить парочку страниц.
А история начиналась с «астрометрического поиска». Первые попытки обнаружить экзопланеты связаны с наблюдениями за положением близких звезд. В 1916 году американский астроном Эдуард Барнард (1857–1923) обнаружил, что слабенькая красная звездочка в созвездии Змееносца быстро перемещается по небу относительно других звезд – на 10 угловых секунд в год. Астрономы назвали ее Летящей звездой Барнарда. Хотя все звезды хаотически перемещаются в пространстве со скоростями 20–50 км/с, при наблюдении с большого расстояния эти перемещения остаются практически незаметными. Звезда Барнарда – весьма заурядное светило, поэтому возникло подозрение, что причиной ее наблюдаемого «полета» служит не особенно большая скорость, а просто необычная близость к нам. Действительно, звезда Барнарда оказалась на втором месте от Солнца после системы Альфа Кентавра.
Масса звезды Барнарда почти в 7 раз меньше массы Солнца, поэтому влияние на нее соседей-планет (если они есть) должно быть весьма заметным. Более полувека, начиная с 1938, изучал движение этой звезды американский астроном Питер ван де Камп (1901–1995). Он измерил ее положение на тысячах фотопластинок и заявил, что у звезды обнаруживается волнообразная траектория с амплитудой покачиваний около 0,02 угл. сек., следовательно вокруг нее обращается невидимый спутник. Из расчетов П. ван де Кампа следовало, что масса спутника чуть больше массы Юпитера, а радиус его орбиты 4,4 а.е. В начале 1960-х годов это сообщение облетело весь мир. Но не все астрономы согласились с выводами П. ван де Кампа. Продолжая наблюдения и увеличивая точность измерений, Дж.Гейтвуд (G.Gatewood) и его коллеги к 1973 выяснили, что звезда Барнарда движется ровно, без колебаний, а значит массивных планет в качестве спутников не имеет. Однако эти же работы принесли и новую находку: были замечены зигзаги в движении пятой от Солнца звезды Лаланд-21185. Сейчас получены веские доводы, что вокруг этой звезды обращаются две планеты: одна с периодом 30 лет (масса 1,6 Мю, радиус орбиты 10 а.е.) и вторая с периодом 6 лет (0,9 Мю, 2,5 а.е.).
В конце 1980-х годов несколько групп астрономов в разных странах создали высокоточные оптические спектрометры и начали систематические измерения скоростей ближайших к Солнцу звезд. Эта работа специально была нацелена на поиск экзопланет и через несколько лет действительно увенчалась успехом. Но первыми открыли экзопланету радиоастрономы, причем не одну, а сразу целую планетную систему. Произошло это в ходе исследования радиопульсаров – быстро вращающихся нейтронных звезд, излучающих строго периодические радиоимпульсы. Поскольку пульсары – чрезвычайно стабильные источники, радиоастрономы могут выявлять их движение со скоростью порядка 1 см/с, а значит, обнаруживать рядом с ними планеты с массами в сотни раз меньше, чем у Юпитера.
Первое сообщение в журнале «Nature» об открытии планетной системы вокруг пульсара PSR1829-10 (обозначался также PSR1828-11 и PSR B1828-10, современное обозначение PSR J1830-10) сделала в середине 1991 группа радиоастрономов Манчестерского университета (М.Бэйлес, А.Лин и С.Шемар), наблюдающих на радиотелескопе в Джодрелл-Бэнк. Они объявили, что вокруг нейтронной звезды, удаленной от Солнца на 3,6 кпк, обращается планета в 10 раз массивнее Земли по круговой орбите с периодом 6 месяцев. В 1994 в неопубликованном сообщении авторы уточнили, что планет три: с массами 3, 12 и 8 земных и периодами, соответственно, 8, 16 и 33 месяца. Однако до сих пор это открытие не подтверждено независимыми исследованиями и поэтому остается сомнительным.
Первое подтвердившееся открытие внесолнечной планеты сделал польский радиоастроном Алекс Вольцжан (A.Wolszczan), который с помощью 305-метровой антенны в Аресибо изучал радиопульсар PSR 1257+12, удаленный примерно на 1000 св. лет от Солнца и посылающий импульсы через каждые 6,2 мс. В 1991 ученый заметил периодическое изменение частоты прихода импульсов. Его американский коллега Дейл Фрейл подтвердил это открытие наблюдениями на другом радиотелескопе. К 1993 выявилось присутствие рядом с пульсаром PSR 1257+12 трех планет с массами 0,2, 4,3 и 3,6 массы Земли, обращающихся с периодами 25, 67 и 98 сут. В 1996 появилось сообщение о присутствии в этой системе четвертой планеты с массой Сатурна и периодом около 170 лет.
Та легкость, с которой планеты были найдены у первого пульсара, вдохновила радиоастрономов на анализ сигналов и других пульсаров (их сейчас открыто более 1000). Но поиск оказался почти безрезультатным: лишь еще у одного далекого пульсара (PSR 1620-26) обнаружилась планета-гигант в несколько раз массивнее Юпитера. До сих пор планетная система пульсара PSR 1257+12 демонстрирует нам единственный пример планет типа Земли за пределом Солнечной системы.
Считается весьма странным, что вообще рядом с нейтронной звездой обнаружились маломассивные спутники. Рождение нейтронной звезды должно сопровождаться взрывом сверхновой. В момент взрыва звезда сбрасывает оболочку, с которой теряет большую часть своей массы. Поэтому ее остаток – нейтронная звезда-пульсар – не может своим притяжением удержать планеты, которые до взрыва быстро обращались вокруг массивной звезды. Возможно, что обнаруженные у пульсара планеты сформировались уже после взрыва сверхновой, но из чего и как – не ясно. Пока планетные системы нейтронных звезд по причине их непонятного происхождения считают чем-то неполноценным.
Успех Доплер-эффекта: планеты у нормальных звезд. Первую «настоящую» экзопланету обнаружили в 1995 астрономы Женевской обсерватории Мишель Майор (M.Mayor) и Дидье Квелоц (D.Queloz), построившие оптический спектрометр, определяющий доплеровское смещение линий с точностью до 13 м/с. Любопытно, что американские астрономы под руководством Джеффри Марси (G.Marcy) создали подобный прибор раньше и в 1987 приступили к систематическому измерению скоростей нескольких сотен звезд; но им не повезло сделать открытие первыми. В 1994 Майор и Квелоц приступили к измерению скоростей 142 звезд из числа ближайших к нам и по своим характеристикам похожих на Солнце. Довольно быстро они обнаружили «покачивания» звезды 51 в созвездии Пегаса, удаленной от Солнца на 50 св. лет. Колебания этой звезды происходят с периодом 4,23 сут и, как заключили астрономы, вызваны влиянием планеты с массой 0,47 Мю (для нее уже предложено имя – Эпикур).
Это удивительное соседство озадачило ученых: совсем рядом со звездой как две капли воды похожей на Солнце бешено мчится планета-гигант, обегая ее всего за четыре дня; расстояние между ними в 20 раз меньше, чем от Земли до Солнца. Астрономы не сразу поверили в это открытие. Ведь обнаруженная планета-гигант из-за ее близости к звезде должна быть нагрета до 1000 К. Горячий юпитер? Такого сочетания астрономы не ожидали. Быть может, за колебания звезды была принята пульсация ее атмосферы? Однако дальнейшие наблюдения подтвердили открытие планеты у звезды 51 Пегаса. Затем обнаружились и другие системы, в которых планета-гигант обращается очень близко к своей звезде; термин «горячий юпитер» прочно вошел в обиход.
Поиском экзопланет сейчас занято более 150 астрономов на различных обсерваториях мира, включая самую продуктивную научную группу Дж.Марси и группу М.Майора. Для выработки терминологии и координации усилий в этой области Международный астрономический союз (МАС) создал Рабочую группу по внесолнечным планетам, первым руководителем которой избран американский астроном-теоретик Алан Бос (A.Boss). Предложена временная терминология, согласно которой «планетой» следует называть тело массой менее 13 Мю, обращающееся вокруг звезды солнечного типа; такие же объекты, но свободно движущиеся в межзвездном пространстве, следует называть «коричневыми субкарликами» (sub-brown dwarfs). Сейчас этот термин употребляется в отношении нескольких десятков предельно слабых объектов, найденных в 2000–2001 в туманности Ориона и не связанных со звездами. Они излучают в основном в инфракрасном диапазоне и по массе, вероятно, лежат в промежутке между коричневыми карликами и планетами-гигантами. Ничего определенного о них пока сказать нельзя.
Свойства обнаруженных экзопланет. Несколько столетий астрономы бьются на загадкой происхождения Солнечной системы. Главная проблема в том, что нашу планетную системы до сих пор не с чем было сравнить. Теперь ситуация изменилась: практически каждый месяц астрономы открывают новую экзопланету; пока это планеты-гиганты, но скоро новые приборы позволят обнаруживать и планеты земного типа. Станет возможной 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 – Солнечной системы.
В настоящее время поиск планет произведен приблизительно у 1000 звезд; это почти все звезды в окрестности 30 парсек от Солнца:
- у 58 звезд обнаружены планетные системы, содержащие от 1 до 3 планет, всего обнаружено около ста экзопланет;
- минимальная масса экзопланеты (M sin i), обнаруженной рядом с нормальной звездой, равна 0,15 Мю;
- обнаружены планетные системы у двух радиопульсаров, причем в одной из этих систем (PSR 1257+12) присутствуют планеты земной массы;
- заподозрены планеты еще у дюжины звезд;
- орбитальные периоды обнаруженных экзопланет лежат в диапазоне от 3 сут до 7 лет, а большие полуоси орбит – от 0,04 до 3,7 а.е.;
- эксцентриситеты орбит экзопланет лежат в диапазоне от 0,0 до 0,93; при этом орбит с большим эксцентриситетом оказалось довольно много (в отличие от Солнечной системы, где большие планеты движутся по почти круговым орбитам);
- амплитуда наблюдаемых колебаний лучевой скорости звезды под виянием планеты от 3 м/с (инструментальный предел) до 200 м/с;
- ближайшая экзопланета обнаружена у звезды Эпсилон Эридана, на расстоянии 10 св. лет от Солнца. Она чуть меньше Юпитера и обращается на расстоянии 3,3 а.е. от звезды чуть менее массивной и менее горячей, чем Солнце;
- лишь в одном случае (звезда HD 209458) Земля оказалась почти в плоскости орбиты экзопланеты (i = 85,2 град.). Поэтому астрономы систематически, дважды в неделю, наблюдают прохождения экзопланеты перед звездой, вызывающие неглубокие (1,5%) затмения. Это позволило очень точно установить орбитальные и физические параметры планеты и звезды. В частности, имея массу 0,69 Мю, планета в 1,54 раза больше Юпитера по размеру. Это не удивительно, если учесть, что она обращается на расстоянии всего 0,045 а.е. от звезды, немного более массивной и яркой, чем наше Солнце. В таком положении планета должна быть весьма горячей и иметь протяженную атмосферу.
В целом обнаружение первых внесолнечных планетных систем стало одним из крупнейших научных достижений 20 столетия. Решена важнейшая проблема – Солнечная система не уникальна, а формирование планет рядом со звездами – это закономерный этап их эволюции. В то же время становится ясно, что Солнечная система и нетипична: ее планеты-гиганты, движущиеся по круговым орбитам вне «зоны жизни» (область умеренных температур вокруг Солнца), позволяют длительное время существовать в этой зоне планетам земного типа, одна из которых – Земля – имеет биосферу. По-видимому, другие планетные системы редко обладают этим качеством. А другие открытия нас ждут еще впереди и очень скоро!
Ярослав Сочка, сентябрь 2009 года
|
