Чужие миры проявились на фото

Астрономам впервые удалось непосредственно увидеть планеты, обращающиеся по орбитам вокруг других звёзд. Более того, учёные впервые увидели и само орбитальное движение, неопровержимо доказывающее, что крохотные точки, проявившиеся на фотографиях, – не далёкие источники, случайно оказавшиеся на небе рядом со звездой, а физически связанные с ней объекты.

Сразу две команды астрономов из Канады, США и Великобритании опубликовали в Science работы, рассказывающие об обнаружении планет рядом с молодыми горячими звёздами, расположенными относительно недалеко от Земли. Эти планеты светятся собственным светом – они ещё высвечивают тепло, выделившееся при их образовании.

Две системы

Группа под руководством Кристиана Маруа и Брюса Макинтоша из канадского Института астрофизики имени Герхарда Герцберга и американской Национальной лаборатории имени Эрнеста Лоуренса в калифорнийском Ливерморе сообщила об обнаружении целой системы из трёх массивных планет, обращающихся вокруг звезды HR8799, или V342 Peg, в 130 световых годах от Земли.

Это звёздочка шестой звёздной величины в созвездии Пегаса, которую вдали от городов в хорошую тёмную ночь можно заметить даже невооружённым глазом и гарантированно несложно найти в бинокль. Три планеты расположены на расстоянии примерно 25, 40 и 70 астрономических единиц (а. е., средних расстояний от Земли до Солнца) от центрального светила, один оборот по орбите они совершают приблизительно за 100, 190 и 460 лет, двигаясь против часовой стрелки, если смотреть с Земли. Планеты HR8799d и HR8799c, расположенные поближе к звезде, примерно в 10 (плюс-минус 3) раз массивнее Юпитера, крупнейшей планеты Солнечной системы, – это действительно гиганты. Внешняя планета HR8799b немногим меньше, её масса оценивается в диапазоне от 5 до 11 масс Юпитера.

Сама HR8799 светит в пять раз ярче Солнца, поэтому, чтобы привести систему HR8799 в соответствие с Солнечной по равновесной температуре поверхности, её надо «сократить» примерно в 2,2 раза. Например, зона, благоприятная для жизни, здесь будет находиться в 2–2,5 а. е. от светила, а не в 1 а. е., где кружится Земля.

Занимательно, что, если сократить систему HR8799 в 2,2 раза, положение её планет практически повторит расположение наших Сатурна, Урана и Нептуна.

Не исключено, что ближе к HR8799 есть и другие планеты, но их мы пока увидеть не можем.

А вот коллектив учёных под началом Пола Каласа из Университета Калифонии в Беркли разглядел планету помельче рядом с одной из самых ярких звёзд неба – Фомальгаутом, или звездой α созвездия Южная Рыба (α Piscis Austrinus), которая находится всего в 25 световых годах от Земли. Увидеть её можно и с территории нашей страны, но лишь в южных районах России бело-голубой Фомальгаут поднимается над горизонтом сколько-нибудь заметно.

Новая планета, Фомальгаут b, движется примерно в 115 а. е. от звезды, недалеко от внутреннего края массивного газопылевого диска, окружающего и сам Фомальгаут, и его планету. Именно диск, точнее, его необычно резкая граница и небольшая асимметрия, и навели учёных на мысль, что здесь может прятаться планета. Учёные рассудили (и не прогадали), что это планета своим притяжением создаёт резкий край, как спутники Сатурна придают резкие границы его кольцам (см. заглавный видеоролик). Эта же пыль позволила оценить и массу Фомальгаута b, которая не может быть больше трех масс Юпитера, иначе диск выглядел бы совсем иначе.

Кроме того, есть признаки, что и сама планета окружена диском, похожим на кольца Сатурна. Именно они отражают видимый свет, зафиксированный телескопом имени Хаббла. А сам Фомальгаут b может быть не единственным спутником звезды. Теоретическая модель использованная для оценки массы, даёт основания полагать, что в системе Фомальгаута есть, по крайней мере, ещё одна планета. Так что не исключено, что здесь мы также имеем дело с целой системой.

Увидеть жизнь

Первые прямые снимки внесолнечных планет интересны не только сами по себе. Это ещё и демонстрация нового метода их обнаружения и исследования. За полтора десятка лет, прошедших с момента неуверенного обнаружения первой внесолнечной планеты 51 Peg b, обращающейся вокруг нормальной звезды (также, кстати, в созвездии Пегаса и совсем неподалёку от теперешней первой планетной системы), астрономы нашли уже более 300 маломассивных объектов, кружащихся вокруг примерно двух сотен звёзд.

Большая часть из них были обнаружены двумя методами, основанными на регистрации света самой центральной звезды – по едва заметным колебаниям скорости звёзд и за счёт небольшого их потускнения при прохождении планет по звёздному диску. Оба метода чувствительны, в первую очередь, к объектам, расположенным непосредственно рядом со звездой, причём объектам крупным и оттого совсем не похожим на Землю.

Выделить свет самих планет в общем потоке излучения от звезды также удавалось, однако получить изображение – непосредственно увидеть планету – учёные пока смогли всего один раз, и этот результат требует подтверждения: «спутник» мог оказаться рядом со звездой случайно, уж больно далеко он от неё находится.

Между тем, если мы хотим искать жизнь во Вселенной, планету надо именно видеть.

Только в этом случае можно попытаться изучить спектральный состав её излучения и понять, из чего она состоит и какие на ней условия. Например, если мы увидим присутствие молекулярного кислорода в больших количествах, это будет уже очень серьёзной заявкой на обнаружение растительной жизни: кислород химически слишком активен, чтобы так запросто оставаться в свободной форме. Именно поэтому метод прямых наблюдений для поиска планет – своего рода «святой грааль» астрономии внесолнечных планет.

Однако прямой поиск – дело невероятно трудное. Только представьте себе, что нужно разглядеть объект, который в миллионы и миллиарды раз слабее центральной звёзды и расположен непосредственно рядом с ней, иногда на пределе разрешения вашего телескопа. Это всё равно что пытаться различить писк комара рядом с реактивным двигателем самолёта, при том что вы не знаете, есть там комар или нет.

Поскольку в глубине души все искатели планет надеются обнаружить жизнь, похожую на нашу, а до недавних пор нам была известна всего одна планетная система – собственная, Солнечная, поиски других систем начали именно рядом со звёздами, похожими на Солнце. Пока безрезультатно. Рядом с подобными Солнцу звёздами 8 лет искал планеты и Кристиан Маруа, и тоже без особых успехов.

Молодые и горячие

Постепенно к астрономам пришло понимание, что, если мы не можем найти ключи от своего дома там, где потеряли, можно попробовать хотя бы поискать какие-нибудь другие ключи там, где светло. Вместо жёлтых карликов вроде Солнца учёные обратились к звёздам спектрального класса A. Они ярче и горячее, так что можно надеяться увидеть планеты на большем расстоянии от звезды.

Однако даже в этом случае контраст яркости между звездой и планетой огромен, и, чтобы уменьшить его, астрономы ещё более сузили круг поисков, сосредоточившись на молодых звёздах класса A. Расчёт в том, чтобы увидеть гигантские планеты (надежды увидеть что-то похожее на Землю пока нет), которые сформировались совсем недавно и ещё не остыли, продолжая высвечивать энергию, высвободившуюся при сжатии из газопылевого облака. Светят они по большей части в инфракрасном диапазоне, и именно здесь учёные сосредоточили свои усилия.

Чтобы ещё более сузить круг поисков, астрономы решили внимательно изучить лишь звёзды, спектры которых показывают присутствие газопылевых дисков в своих окрестностях. К счастью, каталог таких звёзд в окрестностях Солнца уже имелся. То обстоятельство, что первая планетная система была найдена при изучении уже первых кандидатов из списка, указывает, что планетные системы должны встречаться у большинства таких звёзд. Иначе придётся предположить, что и Маруа, и Каласу очень повезло.

По ложке дёгтя

Тем не менее сомнения в результате Маруа ещё остаются. Дело в том, что массу он и его коллеги оценивали, исходя из яркости и возраста планет. Сформировавшись от 30 до 160 миллионов лет назад (примерно таков возраст HR8799), планеты с тех пор сжимаются и высвечивают энергию, постепенно остывая и угасая. Однако, как именно они высвечивают тепло, зависит от планетной атмосферы, расчёт физики которой – задача невероятно сложная. Разумеется, учёные взяли лучшие модели, имеющиеся на сегодняшний день, однако и они пока не подтверждены независимыми наблюдениями – хотя бы потому, что до результатов Маруа испытывать их было не на чем.

Поэтому у некоторых астрономов ещё остаются сомнения, что «планеты» HR8799 действительно являются таковыми. Если модель атмосферы в корне не верна, то их массы могут оказаться и большими, что переведёт их в разряд бурых карликов – «неудавшихся звёзд», которым не суждено зажечь в своих недрах превращение водорода в гелий, но в жизни которых был короткий «почти звёздный период» ядерного горения дейтерия.

С этой точки зрения результаты Каласа куда убедительнее.

Здесь оценка массы планеты сделана на основании моделирования эволюции пылевого диска под действием сил гравитации. Хотя такие расчёты также требуют значительных вычислительных затрат, сама физика существенно проще, и маловероятно, что теоретики здесь не учитывают чего-то принципиально важного. Кроме того, и сам Фомальгаут b много легче HR8799 b, c и d. Оценка в три массы Юпитера – лишь верхняя граница, реальная масса планеты может составить всего половину юпитерианской массы.

Впрочем, и у Фомальгаута b есть тайны. Например, спектральный состав его излучения не очень хорошо описывается имеющимися моделями. Именно отсюда и возникли подозрения, что в оптическом диапазоне здесь светится, отражая цвет центральной звезды, собственный пылевой диск планеты. Размер такого диска должен составить порядка миллиона километров. Если это так, то когда-нибудь из него смогут сформироваться спутники, и Фомальгаут b станет ещё более похож на Юпитер.

Новая надежда

И всё-таки даже эти эпохальные результаты не сделают проще поиск планет, подобных Земле. Если прежние методы поиска были «заточены» под близкие и массивные планеты, то метод, использованный Маруа и Каласом, – под далёкие, массивные и всё ещё горячие миры.

Внеземная жизнь же, если она во Вселенной есть и похожа на нашу, будет расположена на маленьких и старых планетах.%%

Они должны находиться и недалеко от своих звёзд, и не слишком к ним близко – в «обитабельной» зоне, где может существовать вода в жидком виде. Пока астрономы не придумали метода поиска планет в этом промежутке.

Впрочем, повод для оптимизма есть. Ведь и близкие, и далёкие планеты нашлись почти сразу после того, как появились методы их обнаружения. Можно рассчитывать, что, когда мы научимся искать планеты, подобные Земле, они будут ждать нас уже у первых звёзд, на которые мы обратим своё внимание.