Антон Первушин - Последний космический шанс
6.1. В поисках новой Земли
Для обнаружения экзопланет чаще всего используется эффект Доплера. Звезда, имеющая планету, испытывает под ее гравитационным воздействием колебания скорости «к нам – от нас», которые можно измерить, наблюдая доплеровское смещение спектра. На первый взгляд, это представляется весьма трудной задачей. К примеру, под действием Земли скорость Солнца колеблется на сантиметры в секунду. Под действием Юпитера – на метры в секунду. При этом заметное расширение спектральных линий звезды само по себе соответствует разбросу скоростей в 1000 км/с. То есть даже в случае с Юпитером следует измерять смещение спектральных линий на тысячную долю от их ширины! И все же эта сложнейшая задача была блестяще решена.
Новейший метод поиска планет основан на наложении спектра звезды на сильно изрезанный линиями калибровочный спектр. Для калибровки используются пары йода в ячейке, помещаемой перед спектрометром. Температура ячейки поддерживается строго постоянной. Спектрометр выдает суперпозицию двух сильно изрезанных спектров поглощения – звезды и йода. Небольшие смещения спектра звезды приводят к изменениям суперпозиции на всех частотах, что значительно увеличивает точность измерения. В результате удалось получить точность определения колебаний скорости до 3 м/с, а сейчас она приближается к 0,3 м/с.
Именно этим методом воспользовались швейцарские астрономы Мишель Майор и Дидье Квелоц, обнаружив в 1995 году изменение спектра у звезды 51-й Пегаса (51 Pegasi b, 51 Peg b), очень похожей на Солнце и расположенной на расстоянии 50 световых лет. Расчеты показали, что периодические изменения радиальной скорости имеют амплитуду 120 м/с и, скорее всего, вызваны планетой с массой, которая вдвое меньше, чем у Юпитера. Вращается эта планета необычайно близко от своей звезды – на расстоянии всего 0,05 астрономической единицы (в двадцать раз ближе, чем Земля от Солнца!). Такая дистанция вызвала недоумение астрономов. На столь малом расстоянии, согласно современным теориям формирования планетных систем, не может образоваться ни гигантская газовая планета, подобная Юпитеру, ни каменная, имеющая соответствующую массу.
Пытаясь привести практические наблюдения в соответствие с теорией, исследователи выдвинули предположение, что некогда планета 51 Peg b, получившая неофициальное название Беллерофонт (Bellerophon), сформировалась на расстоянии в сто раз большем. Но потом ее могло сместить с законного места столкновение с каким-либо небесным телом (например, с гигантским астероидом) или гравитационное влияние еще одного спутника 51-й Пегаса – звезды, имеющей сравнительно небольшие размеры.
Позднее были найдены другие массивные планеты поблизости от своих звезд. Их выделили в отдельный класс «горячих юпитеров» (hot jupiters). Планет подобного типа оказалось столь много, что возникла версия, будто бы такая система, с «горячим юпитером», является типичной, а наша – опять же уникальной. Но серьезные ученые понимали, что дело лишь в приборной селекции: возможностей нового метода пока не хватало, чтобы легко находить небольшие планеты на значительном удалении от родительских звезд.
Колебания радиальной скорости звезды 51 Pegasi, указывающее на присутствие массивной планеты
Почти сразу после швейцарцев открытие подтвердила группа из Сан-Франциско, которая впоследствии вырвалась в лидеры по числу открытых планет. Первые кривые измерений радиальной скорости были простыми синусоидами, что соответствует круговым орбитам планет. Однако вскоре обнаружились более сложные кривые – с быстрым подъемом и медленным спуском. Джефф Марси, лидер группы исследователей из Сан-Франциско, рассказывал про впечатление, которые произвела на них первая из этих асимметричных кривых. Хоть планетная гипотеза колебаний скорости и выглядела убедительной, оставались сомнения: может быть, так проявляется «дыхание» звезды – периодические расширения и сжатия ее оболочки. Но после того как несинусоидальная кривая отлично «подогналась» под вытянутую орбиту планеты, рассчитанную по законам Кеплера, последние сомнения отпали.
Экзопланета 51 Pegasi b в представлении художника
Кстати, именно группе Джеффа Марси принадлежит честь открытия планетной системы у звезды 47-й Большой Медведицы (47 Ursae Majoris, 47 UMa). Наблюдения и последующие расчеты показывают, что у этого «желтого карлика», находящегося от нас на расстоянии 46 световых лет, имеются две планеты. Первая из них 47 UMa b по своим размерам более чем вдвое превышает Юпитер и удалена от звезды на 2,1 астрономические единицы, а вторая 47 UMa c, по размерам чуть меньше Юпитера, – на 3,73 астрономические единицы. В 2010 году была открыта третья планета этой системы – 47 UMa d, которая в полтора раза больше Юпитера и находится на удалении 11,6 астрономических единиц. Получается, у 47-й Большой Медведицы мы наблюдает развитую планетную систему, состоящую из газовых гигантов, во многом подобную нашей собственной. Пользуясь методом аналогии, можно сделать осторожное предположение, что внутри орбит найденных гигантов имеются и более мелкие «землеподобные» миры. Ученые даже рассчитали, где может находиться в этой системе вторая Земля, условия на которой соответствуют привычным для нас – она должна «ходить» по круговой орбите на расстоянии около 1,13 астрономической единицы от своего светила. Но главное – с помощью наблюдений за 47-й Большой Медведицы было наконец доказано, что у других звезд есть не только отдельные планеты, но и системы планет.
Еще одну систему из того же ряда группа Джеффа Марси открыла у 70-й Девы (70 Virginis, 70 Vir), отстоящей от нас на 59 световых лет. Там имеется планета 70 Vir b, масса которой почти в семь раз больше, чем у Юпитера, а радиус орбиты – 0,43 астрономической единицы. Ученые уверены, что такая планета просто обязана иметь спутники размером с Марс или Землю, и они получают достаточно тепла от своего центрального светила и от планеты-гиганта, чтобы вода на их поверхности никогда не замерзала, и там могла зародиться жизнь.
Методом измерения колебаний скорости звезды были открыты сотни планет. Причем многие из них сильно удивили астрономов, своим существованием перечеркивая множество популярных научных теорий. «Горячие юпитеры» и «холодные нептуны». Планеты в системах двойных и тройных звезд. Древние планеты, сформировавшиеся в эпоху юности Вселенной, и планеты, возраст которых еще не перевалил за миллион лет. Твердые «суперземли» и водные миры.
Землеподобный спутник у экзопланеты 70 Virginis b в представлении художника
Впрочем, было ясно, что планет намного больше, и где-то среди них должны быть и такие, которые по массе и температуре поверхности сходны с Землей. Астрономы прекрасно понимают, что подтвержденное открытие землеподобной планеты станет одним из величайших достижений астрономии, поэтому за кандидатами на это звание началась настоящая охота. Энтузиазм сдерживался только отсутствием необходимой точности – все та же приборная селекция, которую мы упоминали выше.
В марте 2009 года на орбиту был выведен американский телескоп «Кеплер» (“Kepler”). Его задача – исследовать сотни тысяч звезд Млечного Пути с целью поиска планет. Причем был применен метод, который хорошо известен астрономам с древнейших времен, но который наконец-то воплотился на самом современном техническом уровне: наличие планет определяется напрямую по периодическим изменениям яркости звезды, вызываемых прохождениями перед ней темного тела – т. е. микрозатмениями (транзитами). В качестве «окна» наблюдения был выбран район между созвездиями Лиры и Лебедя.
По состоянию на июль 2015 года «Кеплер» зафиксировал 4696 кандидатов на звание экзопланеты, причем для тысячи из них получено подтверждение: да, телескоп зафиксировал именно чужую планету. Анализ собранных данных показал, что как минимум каждая пятая звезда, сходная по характеристикам с Солнцем, должна иметь в своей системе землеподобные планеты. С учетом приборной селекции (а она у телескопа высока, ведь он не способен фиксировать планеты, орбиты которых лежат в астрономической картинной плоскости), можно уверенно говорить о том, что миров, сходных с нашим, в Галактике больше, чем людей на Земле – свыше 10 миллиардов!
Орбитальный телескоп «Kepler»
Точный двойник Земли пока не обнаружен. Есть несколько достойных кандидатов, однако они так или иначе отличаются от нашей планеты. Кроме того, их реальность еще нужно доказать. К примеру, американский астроном Стивен Вогт в сентябре 2010 года объявил об открытии планеты Глизе 581g, вращающейся вокруг красного «карлика» Глизе 581 (Gliese 581, Wolf 562, HIP 74995), который находится в созвездии Весов, на расстоянии 20 световых лет от нас. По расчетам ученого, основанным на измерении колебаний скорости звезды, получалось, что рядом с ней вращается экзопланета с массой три-четыре земных (то есть «суперземля»). Но главное – орбита ее лежит в так называемом «поясе жизни» («зона Златовласки», «обитаемая зона», Circumstellar Habitable Zone, CHZ), где вода может существовать в жидком состоянии, а значит, есть условия для возникновения жизни. На радостях астроном даже присвоил планете имя Зармина – в честь любимой жены. Однако вскоре наступило разочарование – группа Мишеля Майора (та самая, которая отыскала самую первую экзопланету), не подтвердила наличия Gliese 581g на указанной орбите.
