О далеких планетах

Охота за планетами
Комаров С.М.
(«ХиЖ», 2008, №7)

В первой половине этого года астрономы добились очередных успехов: они нашли несколько планетных систем, слегка похожих на Солнечную систему. «Более трети звезд типа Солнца должны содержать или сверх-Землю, или аналог Нептуна с периодом обращения менее 50 дней», считает главный охотник за планетами Михель Майор.


Поиск планет


Серьезные попытки обнаружить планеты у других звезд впервые были сделаны в конце XX века. Так, американский астроном Петер ван де Кампф предположил в 1982 году, что небольшие смещения звезды Барнарда вызваны влиянием вращающейся вокруг нее планеты. Впрочем, другие астрономы с его мнением не согласились. В середине 80-х годов профессор А.В.Тутуков из Института астрономии АН СССР предложил метод транзита (изменение яркости звезды при прохождении планеты между ее диском и Землей), а на основании наблюдения двойных систем высказал предположение, что планеты должны быть у каждой третьей звезды.

В 1991-1992 годах польский астроном Александр Вольсцан и его канадский коллега Дейл Фрейл связали слабые изменения периода пульсара - быстро вращающейся нейтронной звезды - с движением планет вокруг нее. Хотя и считается, что планета не может пережить взрыв сверхновой - а именно после него получаются нейтронные звезды, - у пульсара оказалась целая планетная система из двух планет с массой в несколько раз больше земной и одной с массой Луны. Правда, больше ни у одного пульсара планетных систем обнаружить не удалось.

Начало массовой охоты за внесолнечными планетами связано с именами Михеля Майора и Дидье Квелоца из Женевской обсерватории, которые 6 октября 1995 года объявили о находке планеты у звезды 51 созвездия Пегаса.

Эта планета стала двойным открытием: она вращается столь близко от своей звезды, что год длится всего 4,2 земных дня, а температура поверхности превосходит тысячу градусов Цельсия. Поскольку масса оказалась всего наполовину меньше, чем у Юпитера, планеты такого типа стали называть «горячими Юпитерами».


s20080736 planet1.jpg


После открытия Майора и Квелоца поток сообщений о новых планетах за пределами Солнечной системы превратился в набирающую скорость лавину. Сейчас их число превышает 270, и задача астрономов несколько изменилась. Теперь недостаточно открыть новую планету: хочется выяснить, нет ли поблизости других планет, желательно земного типа. В самых смелых мечтах - не просто найти такие планеты, но и посмотреть, нет ли в их атмосферах каких-то признаков жизни. Пока что доказано, что планетные системы существуют у 25 звезд, причем в состав некоторых из них входят планеты, лишь в несколько раз более тяжелые, чем Земля.


Вселенная горячих Юпитеров


Довольно быстро выяснилось, что именно системы с горячими Юпитерами - это норма, а Солнечная система исключение. Так, более чем в двух третях случаев радиус орбиты горячего Юпитера меньше радиуса орбиты Земли, и нет ни одной системы, где бы подобная Юпитеру планета оказалась на столь большом расстоянии от светила, как наш Юпитер: все они укладываются в пределы нашего пояса астероидов. Поскольку планеты находят у звезд того же типа, что и Солнце, а у некоторых из них удалось разглядеть протопланетные облака, в которых зародыши планет образуются на вполне приличном расстоянии от звезды, возникло мнение, что горячие Юпитеры медленно сваливаются на свои звезды. Это мнение позволяет объяснить, в частности, повышенное в тысячи раз (по сравнению с данными теории происхождения химических элементов) содержание лития-6 в атмосфере звезды HD82943.

Как бы то ни было, пока что найдены всего две системы, мало-мальски похожие на Солнечную. Первую из них обнаружили у звезды OGLE-2006-BLG-109L. Эта звезда в два раза меньше Солнца, и у нее есть прямые аналоги Юпитера и Сатурна ­ две большие планеты с аналогичными соотношениями масс (около 3:1), радиусов орбиты (1:2) и периодов вращения (5 и 14 лет против 12 и 30). Хотя и этот «Юпитер» лежит очень близко к своей звезде, в пределах орбиты Венеры.


s20080736 planet2.jpg


Хроника открытия этой системы дает представление о том, как работают охотники за планетами. 26 марта 2006 года польско-американская группа OGLE (Оптический эксперимент по гравитационным линзам) во главе с профессором Анджеем Удальским из Варшавского университета сообщила о том, что она заметила гравитационную линзу, которую занесли в каталог под именем OGLE-2006-BLG-109. В международном разделении астрономического труда эта группа как раз и занимается обнаружением гравитационных линз. Когда свет далекой звезды проходит рядом с массивным объектом, его путь искажается вследствие искривления пространства-времени так, как искривляется свет в оптической линзе. В результате звезда как будто приближается к наблюдателю: ее свет неожиданно усиливается. Явление длится около месяца, после чего из-за перемещения Солнечной системы телескоп перестает принимать те лучи, что прошли сквозь линзу. В качестве линзы может выступать и слабая звезда, свет которой астроному не заметен. Именно тогда в конце ее названия появляется буква «L». Столь же невидимые планеты, обращающиеся вокруг звезды, усиливают эффект линзы. О таком усилении эффекта у объекта OGLE-2006-BLG-109L польские астрономы и сообщили через два дня после обнаружения линзы, и охотники за планетами из других обсерваторий приступили к тщательным наблюдениям. В частности, этим занялись участники проекта «RoboNet», о котором будет рассказано позже. Спустя восемь дней, 5 апреля, набралось достаточно информации, чтобы провести расчет. Астрономы из Огайского университета провели его за дюжину часов и показали, что эффект вызывает планета типа Юпитера. Расчет также показал, что следующего роста яркости следует ожидать 8 апреля. Однако, к удивлению астрономов, это случилось буквально на следующий день, 6 апреля. Так усилить яркость линзы могла только более массивная планета, расположенная ближе к создавшей линзу звезде. А 8 апреля, как было предсказано, проявился пик яркости, вызванный обнаруженной ранее планетой, масса которой оказалась ближе к Сатурну, нежели к Юпитеру. Не прошло и двух лет, как статья с описанием этой истории была опубликована в журнале «Сайенс». Поскольку орбита внутренней планеты-гиганта относительно далека от звезды астрономы надеются, что в системе OGLE-2006-BLG-109L есть и малые каменистые планеты, возможно, холодные. Жаль, что эту звезду в телескоп не видно и такое предположение невозможно пока проверить.


s20080736 planet7.jpg

Примерно так горячий Юпитер падает в породившую его звезду


Другую планетную систему, немного похожую на Солнечную, ученые из Южной европейской обсерватории обнаружили в 2006 году у звезды HD69830. В ней три относительно легкие планеты, с массой, равной 10-18 массам Земли, то есть подобные Нептуну. Сходство с нашей этой системе придает пояс астероидов, который сумели разглядеть астрономы, работающие на Спитцеровском орбитальном телескопе, а также то обстоятельство, что самая внешняя планета, отделенная этим поясом от соседей и с периодом обращения 197 дней, почти попадает в «пояс жизни» - область существования жидкой воды. У другой свеженайденной системы из трех планет, за которой астрономы во главе с Майором внимательно следили в течение пяти лет, отличия от нашей значительно больше: хоть эти три планеты и ближе к Земле ­ их массы составляют 4,2, 6,7 и 9,4 масс Земли, периоды обращения очень малы ­ 4,3, 9,6 и 20,4 дней. Еще две интересные системы содержат по две планеты: одна - «Земля» с массой 7,5 земных и периодом 9,5 дней и «Юпитер» с периодом 3 года; другая - «Нептун» (22 массы Земли) с периодом 4 дня и «Сатурн» с периодом 3 года.


Другие методы


Поиск планет по создаваемому ими эффекту усиления гравитационных линз - не самый распространенный в арсенале охотников за планетами. Но у него есть преимущество - возможность обнаружения планеты даже у очень далеких звезд. А чаще всего новые планеты находят по смещению спектральных линий. Именно так нашли первый горячий Юпитер. Суть способа в том, что под влиянием планеты звезда смещается из центра системы и из-за эффекта Доплера линии излучения периодически смещаются то в синюю, то в красную сторону. Современные спектрометры позволяют без особых проблем поймать смещение со скоростью 3 м/с. Много это или мало? Например, Юпитер смещает Солнце со скоростью 12 м/с, а Земля - 0,1 м/с. Значит, метод вполне пригоден для поиска планет, схожих с Юпитером или даже Нептуном.


s20080736 planet8.jpg
Орбитальный телескоп им. Джеймса Уэбба


Следующий по распространенности метод - метод транзита. Воспользоваться им удается не всегда, а только в том случае, когда мы видим эту планетную систему сбоку. Но уж если планета время от времени проходит по звездному диску, то у астрономов появляется чрезвычайно интересная возможность заняться химией экзопланетной атмосферы: содержащиеся в ней газы будут ослаблять или усиливать свет звезды в соответствующих спектральных линиях. Именно так орбитальный телескоп Хаббла обнаружил весной 2007 года органику в атмосфере горячего Юпитера, обращающегося вокруг звезды HD189733. У этой системы самый большой эффект транзита - каждые два дня яркость звезды падает на 3%. Как оказалось, атмосфера планеты содержит много водяного пара и метана, причем последнего гораздо больше, чем дают модели, построенные планетологами для горячих Юпитеров. Возможно, таким способом удастся изучать химию атмосферы и более холодных планет земного типа, когда они будут обнаружены. Развитие этого метода может помочь и поиску землеподобных планет по тем незначительным изменениям, которые они вносят в движение горячего Юпитера, изменяя его период. Камеру для точного определения периодов движения горячих Юпитеров астрономы Королевского университета Белфаста установили на Ливерпульском телескопе, расположенном на канарском острове Ла-Пальма.


Роботы-астрономы


В мире сейчас переходят от поиска внесолнечных планет «вручную» к автоматизированным методам. Например, в 2004 году появилась сеть «RoboNet», которая связала три робота-телескопа с двухметровыми зеркалами - на ЛаПальме, на гавайском острове Мауи и в австралийской обсерватории Сайдинг Спринг. Они в автоматическом режиме ищут аномалии в поведении гравитационных линз. Например, за сезон 2005 года роботы сети внимательно следили за 60 линзами и возле одной обнаружили новую планету. Другая программа предложена учеными из Великобритании в 2004 году и называется «SuperWASP» ( Поиск планет в больших участках неба). Два робота-телескопа, один на Канарах, а другой в Южной Африке, каждую ночь автоматически анализируют изображения миллионов звезд и ищут признаки транзитов планет. Если такое событие будет обнаружено, то астрономы, работающие во французской Обсерватории Верхнего Прованса, на Северном оптическом телескопе на Ла-Пальме или Швейцарском телескопе Эйлера в Чили, проведут тщательные измерения и выяснят, действительно ли наблюдаемый эффект связан с транзитом. Всего за четыре года система дала пятнадцать планет из сорока пяти, открытых методом транзита, причем десять из них было обнаружено за последние полгода.


s20080736 planet4.jpg

Один из роботов-телескопов сети «RoboNet». Эффективный диаметр зеркала два метра получается в результате сложения данных, полученных восемью маленькими телескопами


Что же касается отечественных исследователей, то задача поиска планет за пределами Солнечной системы у них не очень популярна. Одна из проблем состоит в том, что с середины девяностых годов мировая астрономия пережила настоящую революцию в техническом обеспечении. Это оснащение телескопов и ПЗС-матрицами (см. «Химию и жизнь», 2004, № 10), и высокочувствительными спектрометрами, способными определять совсем небольшие скорости смещения звезд - рекорд составляет 60 см/с. Впрочем, на нашем единственном роботе-телескопе «МАСТЕР», созданном учеными из МГУ им. М.В.Ломоносова (см. «Химию и жизнь», 2006, № 1), в этом году начались работы по поиску планет. Университетские астрономы провели наблюдения одной из известных планет, совершающих транзит, ­ это необходимо для отработки методов расчета ­ и получили неплохую кривую изменения блеска.


s20080736 planet5.jpg

Интерферометр «Дарвин» будет состоять из нескольких орбитальных телескопов и ретранслятора


«На телескопе в Москве трудно искать планеты – слишком плохие условия наблюдения. Однако мы получили финансирование на установку разработанных нами телескопов с диаметром зеркала 40 см на базе МГУ в Кисловодске. Подобный телескоп-робот поставят и в Екатеринбургском университете. А наша мечта - разместить 24 телескопа по всей стране и в результате получать обзор всего северного неба за одну ночь. Сравнивая изображения, получаемые ночь от ночи, мы сможем видеть все новые объекты, которые появились на небе, - сверхновые, гаммавсплески, ну и конечно же следы транзита планет. Телескопы стоят недорого, программисты обходятся гораздо дороже, поэтому нигде в мире такой системы не создано. Ау нас энтузиасты уже разработали все программное обеспечение, дело только в закупке телескопов. Проект в целом обойдется недорого, всего в пять миллионов долларов, и мы сейчас ищем средства», - рассказывает руководитель проекта доктор физико-математических наук В.М.Липунов.


s20080736 planet6.jpg

Орбитальная система для поиска планет земного типа, о которой мечтают астрономы, будет состоять из двух частей


А во всем мире астрономы готовятся искать планеты космическими телескопами. Сейчас этим заняты канадский MOST (он выведен на орбиту в 2003 году) и французский COROT (запущен в декабре 2006 года, а свой первый горячий Юпитер нашел в мае 2007-го). В феврале 2009 года к ним присоединится американский «Кеплер», специально предназначенный для поиска планет, аналогичных Земле. В 2013 году американцы выведут на орбиту космический телескоп им. Джеймса Уэбба с зеркалом 6,5 м, который окажется на расстоянии 1,5 млн. км от Земли и будет проводить наблюдения главным образом в инфракрасной области спектра. После 2014 года ЕКА должно запустить инфракрасный интерферометр «Дарвин», способный, в частности, найти воду, углекислый газ и озон в атмосфере дальней планеты. В 2015 году НАСА планирует запуск «SIM Planet Quest». Этот орбитальный телескоп будет объединен с каким-нибудь другим телескопом, и получится гигантский интерферометр, который сможет определять положение звезд и расстояние до них в тысячу раз точнее, чем это возможно ныне. А затем придет и время для «Terrestial Planet Finder» (то есть Искателя планет земного типа). Он будет состоять из двух связанных обсерваторий, работающих в видимом и инфракрасном диапазонах. Эти обсерватории смогут определять размер, расположение и температуру планет в поясах жизни, а также находить газообразные следы жизнедеятельности в их атмосферах: озон, углекислый газ, водяной пар и метан. В общем, есть все шансы выяснить в обозримый срок, насколько мы одиноки во Вселенной.


Рисунки – ESO, ESA, NASA

Еще по теме

Эта публикация подготовлена по материалам одноименной книги автора, перевод которой выпустит в свет Главная редакция физико-математической литературы издательства «Наука». Под планетой, пригодной для жизни, автор понимает такую планету, на которой могло бы жить много людей, не нуждаясь в сложной защите от окружающей среды и доставке материалов и продуктов с других планет. Перевод с английского И. Щербиной-Самойловой. >>
Окончание статьи. Начало см. в "Химии и жизни" № 6 за1974 год.
>>
В сентябре нынешнего года исполняется 50 лет со дня смерти Константина Эдуардовича Циолковского. Его статьи и книги, ставшие первоосновой теории и практики современной космонавтики, советскому читателю хорошо знакомы. Гораздо менее известны другие труды этого многогранного мыслителя. >>
Многие великие ученые задумывались о том, какой может быть жизнь на ближних к нам планетах и в совсем уж далеких мирах. А может ли появиться жизнь, если вода на далекой от солнца планете скрыта под ледяной корой? >>
Еще полвека назад никто не знал, существуют ли планетарные системы у других звезд, кроме Солнца. Теперь открытие экзопланет — почти рутинная процедура, но она требует очень тонких измерений. Планеты обнаружили, но большинство планетарных систем не похожи на нашу и вряд ли пригодны для жизни. Очень хотелось бы дожить до открытия внеземной жизни, но, судя по темпам развития проектов, надежды на это немного. >>