Математика космоса. Как современная наука расшифровывает Вселенную - Йен Стюарт

Пульсары — довольно необычные звезды, и, в сущности, они не сообщают нам ничего существенного об обычных звездах. Но вскоре и обычные звезды начали раскрывать ученым свои секреты. В 1995 году Мишель Майор и Дидье Кело открыли экзопланету у звезды 51 Пегаса — звезды того же спектрального класса (G), что и Солнце. Позже оказалось, что обе группы проиграли гонку — еще в 1988 году Брюс Кэмпбелл, Гордон Уокер и Стивенсон Янг отметили подозрительные колебания звезды γ Цефея. Поскольку результаты были получены на пределе чувствительности приборов, исследователи не стали объявлять об обнаружении планеты, но уже через несколько лет появились новые данные, и астрономы пришли к выводу, что эта группа видела-таки экзопланету. Окончательно ее существование удалось подтвердить в 2003 году.

Сегодня нам известно более 2000 экзопланет — их число (на 1 июня 2016 года) составляет 3422 планеты в 2560 планетных системах, включая 582 системы с двумя и более планетами[69]. Плюс к тому имеются тысячи систем-кандидатов, наличие планет в которых еще предстоит окончательно подтвердить. Иногда, правда, признаки, считавшиеся ранее свидетельством наличия планет, находят иное объяснение и начинают интерпретироваться по-новому, зато кандидаты идут буквально потоком — так что эти цифры могут меняться как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения. В 2012 году было объявлено, что одна из звезд в ближайшей к нам системе двойной звезды α Центавра имеет планету размером с Землю, но намного горячее. На данный момент похоже, что этой планеты — она получила обозначение α Центавра Bb — на самом деле не существует, что это артефакт анализа данных. Однако за это время в той же системе у той же звезды был обнаружен еще один кандидат в экзопланеты — α Центавра Bc. У звезды Глизе 1132 — красного карлика в 39 световых годах от нас — определенно есть планета, GJ 1132b, которая вызвала сильное возбуждение в ученом сообществе, ведь по размеру эта планета примерно соответствует Земле (хотя слишком горяча, чтобы на ней была жидкая вода) и находится достаточно близко, чтобы можно было наблюдать ее атмосферу. В пределах нескольких десятков световых лет от нас планет много. В этом смысле мы не одиноки.

Поначалу единственным, что мы могли наблюдать, были «горячие Юпитеры» — массивные планеты, очень близкие к своим звездам. Конечно, это создавало превратное впечатление о том, какого типа миры мы можем встретить в открытом космосе. Но техника модернизируется, ее чувствительность стремительно растет, и сегодня мы можем регистрировать планеты размером с Землю. Кроме того, при помощи спектроскопии мы начинаем потихоньку выяснять, есть ли на них атмосфера или вода. Статистические данные свидетельствуют, что в нашей Галактике, да и во Вселенной в целом, планетные системы — дело обычное и землеподобных[70] планет на землеподобных орбитах вокруг солнцеподобных звезд, хотя их доля и невелика, насчитываются миллиарды.

* * *

Помимо спектроскопии, существует по крайней мере десяток других методов обнаружения экзопланет. Один из них — непосредственное фотографирование: направляешь очень мощный телескоп на звезду и высматриваешь планету. Это не так просто — все равно как увидеть горящую спичку в свете прожектора, но хитроумные техники маскирования, призванные исключить собственный свет звезды, позволяют иногда это сделать. Самый распространенный способ обнаружить экзопланету — это так называемый транзитный метод. Дело в том, что планета, проходя по диску звезды (с точки зрения земного наблюдателя), блокирует некоторую (небольшую) часть ее собственного света. Прохождение (транзит) планеты создает на кривой блеска звезды характерную ложбинку. Конечно, большинство экзопланет вряд ли ориентировано настолько удобно для нас, но доля тех, которые все же проходят по диску своей звезды, достаточно велика, чтобы такой подход к поиску экзопланет имел смысл.

Рисунок ниже — упрощенная иллюстрация к транзитному методу. Начиная прохождение, планета постепенно блокирует все большую долю излучения звезды. Как только диск планеты целиком оказывается на диске звезды, световой поток стабилизируется и остается примерно постоянным до тех пор, пока планета не подойдет вплотную к другому краю светила. По мере того как планета покидает диск звезды, ее видимый блеск возвращается к прежнему уровню. На практике звезда, как правило, по краям диска кажется менее яркой, а часть света может обогнуть планету, если у нее есть атмосфера. Более детальные модели учитывают эти эффекты и корректируют результат. На рисунке с изображением XO-1 в красном диапазоне можно видеть как реальную кривую блеска (точки) при прохождении экзопланеты XO-1b по диску звезды XO-1, так и соответствующую модель (сплошная линия).

Транзитный метод при тщательном математическом анализе позволяет получить информацию о размере, массе и орбитальном периоде планеты. Иногда он сообщает нам также химический состав ее атмосферы; его можно получить, сравнив спектр звезды со светом, отраженным от планеты.

* * *

NASA выбрало для своего телескопа Kepler — фотометра, измеряющего уровень блеска звезд с необычайной точностью, — именно транзитный метод. Kepler, запущенный в 2009 году, отслеживал блеск более чем 145 000 звезд на небольшой площадке на границе созвездий Лебедя, Лиры и Дракона. Наблюдать за ними планировалось по крайней мере три с половиной года, но маховики аппарата, призванные удерживать его ориентацию в пространстве, начали отказывать. В 2013 году программу работы аппарата изменили таким образом, чтобы он, хотя и потеряв часть своих возможностей, по-прежнему мог проводить полезные научные наблюдения.

Первая экзопланета, обнаруженная Kepler в 2010 году, получила название Кеплер-4b. Звезда, вокруг которой обращается эта планета, обозначается Кеплер-4 и находится на расстоянии 1800 световых лет от нас в созвездии Дракона; по характеристикам она аналогична Солнцу, но немного крупнее. Планета размером и массой схожа с Нептуном, но ее орбита проходит намного ближе к звезде. Период обращения этой планеты составляет 3,21 суток, а радиус орбиты — 0,05 а.е., около 1/8 расстояния от Меркурия до Солнца. Орбита заметно вытянута и имеет эксцентриситет около 0,25. На поверхности планеты царит невыносимый жар в 1700 K.

Несмотря на плохо работающие маховики, Kepler обнаружил 1013 планет у 440 звезд плюс 3199 кандидатов в планеты, действительную природу которых еще предстоит установить. Крупные планеты легче заметить, поскольку при прохождении они блокируют больше света, так что среди открытых Kepler экзопланет они, скорее всего, представлены шире, чем в реальной Вселенной. До некоторой степени, правда, этот эффект можно скорректировать. Kepler нашел достаточно экзопланет, чтобы можно было статистически оценить число планет с определенными характеристиками в нашей Галактике. В 2013 году NASA объявило, что Галактика, вероятно, содержит по крайней мере 40 миллиардов экзопланет земного размера на землеподобных орбитах около солнцеподобных звезд и красных карликов. Если это так, то Земля далеко не уникальна.