Нил Тайсон - История всего
Прежде чем описать эти обнаруженные миры-новинки и проанализировать их роль в наших поисках внеземной жизни, нам придется столкнуться с фактом, поверить в который на первый взгляд трудно. Астрофизики утверждают, что не только знают достоверно, что эти планеты существуют, но и способы оценить их массу, удаленность от центральной звезды, период обращения и даже форму их орбит… Но никто никогда не видел и не сфотографировал ни одной из этих экзопланет.
Как такое возможно — знать так много о планете, которую никогда не видел? Предоставим ответить тем, кто занимается изучением звездного света. Разложив свет на все цвета его спектра (спектральные линии) и сравнивая их со спектрами тысяч звезд, профессионалы своего дела могут отличать друг от друга разные типы звезд исключительно по интенсивности отдельных цветов, составляющих собой звездный спектр. Давным-давно этим астрофизикам приходилось фотографировать спектры звезд, но сегодня у них есть в разы более чувствительные приборы, которые регистрируют на цифровой носитель данные о том, сколько звездного света каждого конкретного цвета достигает Земли. Хотя звезды находятся от нас в миллиардах миль, их фундаментальная природа уже давно для нас словно открытая книга. Теперь астрофизики могут с легкостью определять, просто измеряя спектр звездного света, какие из этих звезд больше всего напоминают Солнце, какие более горячие и яркие, а какие более прохладные и заметно бледнее.
Но они могут не только это. Ознакомившись как следует с распределением цветов в спектре разных типов звезд, астрофизики теперь могут быстро идентифицировать знакомые закономерности в интересующем их спектре конкретной звезды: как правило, в спектре мало или совсем нет определенных оттенков. Характерное соцветие спектра узнается часто, но ученые обнаруживают, что все составляющие его цвета были немного смещены в сторону красного фиолетового сегмента спектра и потому все привычные ориентиры приобрели более красный фиолетовый оттенок, чем считается нормальным.
Ученые характеризуют эти цвета по длине волн, которая отражает расстояние между двумя вершинами («гребнями») вибрирующей световой волны. Так как они соответствуют цветам, которые могут воспринимать наши глаза и мозг, назвать конкретную длину волны — это то же самое, что и назвать определенный цвет, только еще более точно. Когда астрофизики обнаруживают знакомую интенсивность света, разложенную на тысячи разных оттенков, но замечают, что все волны на этом участке (к примеру) на 1 % длиннее, чем обычно, они заключают, что спектр звездного света изменился вследствие эффекта Доплера, который описывает, что именно происходит, когда мы наблюдаем приближающийся к нам или удаляющийся от нас объект. Если, например, объект движется к нам навстречу (или мы сами движемся ему навстречу), мы получим более короткие волны, чем если бы аналогичный объект не двигался относительно нас в пространстве. Если объект от нас удаляется — или мы удаляемся от него, — волны его излучения будут длиннее, чем волны излучения такого же статичного относительно нас объекта. Разница в длине волны в обоих случаях зависит от относительной скорости отдаления сближения источника света и стороннего наблюдателя. Для скоростей, существенно недотягивающих до скорости света (186 000 миль в секунду), фракционное изменение длин всех световых волн, которое называется доплеровским смещением, равняется отношению скорости приближения удаления к скорости света.
В течение 1990-х годов две команды астрономов, одна в США и другая в Швейцарии, посвятили себя тому, чтобы научиться еще более точно измерять воздействие эффекта Доплера на звездный свет. Они занялись этим не только потому, что ученые в принципе любят производить как можно более точные измерения, но и потому, что у них была весьма конкретная цель: обнаружить планеты с помощью изучения света звезд.
Зачем же идти столь откровенно в обход на пути к обнаружению экзопланет? На самом деле это единственный эффективный способ их обнаружить. Судя по Солнечной системе, расстояния от звезд до вращающихся вокруг них планет можно назвать совершенно незначительными по сравнению с тем, как далеко друг от друга расположены сами звезды. Ближайшие звезды-соседки Солнца находятся примерно в полмиллиона раз дальше от нас, чем самая внутренняя планета Солнечной системы Меркурий — от Солнца. Даже расстояние между Плутоном и Солнцем составляет менее одной пятитысячной доли расстояния от нас до Альфы Центавра, ближайшей к нам звездной системы. Эти астрономически ничтожные расстояния между звездами и их планетами в сочетании с бледностью света, который исходит от планет (будучи, соответственно, отраженным светом от ее звезды), делают почти невозможным увидеть воочию одну из планет за пределами Солнечной системы. Представьте себе, допустим, одного астрофизика на планете, вращающейся вокруг одной из звезд Альфы Центавра. Этот астрофизик направляет свой телескоп в сторону Солнца и пытается разглядеть в него самую крупную планету — Юпитер. Расстояние от Солнца до Юпитера составит всего лишь одну пятидесятитысячную долю расстояния от астрофизика до Солнца, при этом звезда будет сиять в миллиард раз ярче, чем ее планета. Астрофизики любят проводить аналогию с тем, как трудно разглядеть светлячка в свете мощного фонарика. Когда-нибудь, возможно, нам это и удастся, но пока крестовый поход за экзопланетами сводится лишь к изучению спектра звездного излучения; нам пока не хватает технических возможностей делать что-то еще.
Эффект Доплера предлагает альтернативный способ, доступный нам уже сегодня. Изучив звезду подробно, мы можем тщательно замерить любые изменения в доплеровском смещении излучения этой звезды Они могут появляться вследствие изменения скорости, с которой звезда к нам приближается от нас удаляется. Если изменения оказываются циклическими, то есть скорость с определенной регулярностью демонстрирует максимальное значение, затем минимальное, затем снова максимальное и т. д., тогда мы можем совершенно справедливо утверждать, что эта звезда перемещается по определенной орбите, которая заставляет ее водить хороводы в космосе вокруг одной конкретной точки.
Что может заставить звезду исполнять такой танец? Только гравитационное воздействие других объектов. Нет никаких сомнений в том, что планеты по определению обладают массами, существенно меньшими, чем звезды, поэтому их гравитационное влияние весьма скромно. Когда они тянут к себе близлежащую звезду, чья масса в разы превышает их собственную, они навязывают ей лишь незначительные изменения в скорости движения. Юпитер, к примеру, меняет скорость Солнца примерно на 40 футов[52] в секунду, что, конечно, побольше скорости самого первоклассного бегуна на короткие расстояния. В то время как Юпитер совершает свое обращение вокруг Солнца на протяжении 12 лет, сторонний наблюдатель, расположившийся где-то вдоль плоскости его орбиты, может измерить величину доплеровского смещения в излучении Солнца. Полученные им результаты покажут, что в определенный момент времени скорость Солнца относительно самого наблюдателя окажется на 40 футов в секунду выше своего среднего значения. Шесть лет спустя тот же наблюдатель обнаружит, что скорость Солнца упала на 40 футов ниже средней скорости его движения. В течение этого шестилетнего промежутка относительная скорость будет плавно проходить переменный путь от одного экстремального значения к другому. Пронаблюдав за этим однообразным циклом несколько десятков лет, наблюдатель будет вправе заявить, что у Солнца есть планета, описывающая вокруг него один оборот за 12 лет и являющаяся причиной изменений в скорости самой звезды, которые, в свою очередь, рождаются в результате этого движения. Размер орбиты Солнца, в сравнении с орбитой Юпитера, равен обратному отношению масс двух объектов. Так как масса Солнца в тысячу раз больше массы Юпитера, орбита Юпитера вокруг их общего центра тяжести оказывается в тысячу раз больше орбиты Солнца. Это лишнее доказательство тому, что сдвинуть с места Солнце в тысячу раз труднее, чем Юпитер.
Конечно, у Солнца есть не одна, а несколько планет, каждая из которых одновременно тянет его к себе с помощью своей гравитации. Суммарная динамика движений Солнца, таким образом, представляет собой наложение подобных орбитальных танцев, у каждого из которых разный период повторения. Так как Юпитер — самая крупная и массивная планета Солнца — оказывает на него наибольшее гравитационное воздействие, следы танцевальных уроков Юпитера преобладают в сложном комплексе движений и колебаний Солнца в космосе.
Когда астрофизики решили заняться поиском экзопланет, наблюдая за колебаниями звезд, они поняли: чтобы найти сравнимую с Юпитером планету, расположенную на расстоянии от своей звезды, сопоставимом с расстоянием от Юпитера до Солнца, им понадобится измерить доплеровские смещения с точностью, достаточной того, чтобы затем отследить изменения в относительной скорости изучаемого объекта, составляющие примерно 40 футов в секунду. В земных условиях это весьма немалая скорость (около 27 миль в час[53]), но с точки зрения астрономии она не составляет даже одной миллионной доли скорости света, а также равняется примерно одной тысячной доле той скорости, с которой звезды, как правило, движутся в нашем направлении от нас. Таким образом, чтобы обнаружить вызванное изменением скорости источника излучения доплеровское смещение, чей размер составляет не более одной миллионной доли скорости света, астрофизикам нужно измерять разницу в длинах волн, то есть в палитре звездного света, составляющую одну часть на миллион.
