Статьи и очерки. 58 планет у окрестных звезд

Б.Штерн

Открытия планет у других звезд из разряда сенсаций перешли в серийные научные результаты. Итог поисков на нынешний момент:

- 58 точно подтвержднных планет у нормальных звезд (звезд главной последовательности). При этом у пяти звезд найдено по две планеты и у одной - три.

- 14 пока неподвержденных систем.

- Две планетных системы у пульсаров, т.е. у нейтронных звезд. Одна из них имеет три или четыре обнаруженные планеты (одна, самая маленькая, под подозрением), вторая - одну.

За исключением пульсарных систем, все открытые планеты намного тяжелее Земли: самая маленькая - больше 0.16 массы Юпитера, самая большая - больше 11 масс Юпитера. Известны только нижние пределы на массы, поскольку измерению поддается величина M/sin(i), где i - угол наклона оси орбиты планеты к лучу зрения, как правило неизвестный. В отличие от Юпитера, найденные планеты в большинстве случаев имеют орбиты меньше земной - до 0.04 астрономической единицы (АЕ, радиус Земной орбиты), период обращения 3 дня. Большие массы и маленькие орбиты - это попросту результат того, что именно такие планеты легче обнаружить. Впрочем, со временем стали все чаще находить планеты-гиганты с орбитами порядка размеров земной орбиты. Самая большая орбита уже приближается к юпитерианской - 4.47 АЕ, период обращения 6.3 года, масса планеты - 7 масс Юпитера.

Такова сжатая сводка с этого фронта исследований. Теперь попробуем рассказать, как ищутся планеты, какое значение и какие перспективы имеют эти поиски.

Как ищут планеты вне Солнечной системы

Свет от Земли в миллиарды раз слабее солнечного. Не то что землю, но и платеты-гиганты у другой звезды увидеть в телескоп, даже в космический типа Хаббла, совершенно невозможно - он безнадежно тонет в свете звезды. В инфракрасном диапазоне соотношение яркостей намного лучше, но все равно, прямое наблюдение планет находится за пределами нынешних реальнах (но не принципиальных) возможностей. Впрочем, проекты, ориентированные на прямое наблюдение планет уже разрабатываются.

Пока более реальны косвенные методы обнаружения планет.

Первый (исторически) - астрометрический метод. Если очень точно измерять треакторию звезды, то можно увидеть ее легкую извилистость, вызываемую тяготением планет. В свое время появились указания на извилистость траектории звезды Барнарда, одной из ближайших к нам, но впоследствии результаты не подтвердились. Соответствующие проекты разрабатываются.

Другой метод, основанный на фотометрии, связан с прохождением планет на фоне звезды. Планета затмевает часть поверхности и яркость звезды чуть-чуть падает. В случае Юпитера на одну сотую, в случае Земли на одну десятитысячную. Проекты соответствующих поисков осуществляются.

Довольно экзотический, но вполне реалистичный метод - гравитационное линзирование. Когда одна звезда проходит на фоне другой, свет дальней звезды искривляется тяготением ближней и ее яркость меняется. Если у ближней звезды есть планеты, то это скажется на кривой изменения яркости. Поскольку наблюдения линзирования звезд ведутся давно (в других целях), уже найдено несколько кандидатов в планетные системы.

Самый успешный метод - спектрометрическое измерение радиальной скорости звезд. Звезда, имеющая планету, испытывает колебания скорости "к нам - от нас", которые можно измерить, наблюдая допплеровское смещение спектра звезды. На первый взгляд это невозможно. Под действием Земли скорость Солнца колеблется с периодом год на сантиметры в секунду. Под действием Юпитера - на метры в секунду. При этом, тепловое уширение спектральных линий звезды соответствует разбросу скоростей в тысячи км/с. Т.е., даже в случае Юпитера, надо измерять смещение спектральных линий на тысячную долю от их ширины. Кажется невероятым, но эта задача была блестяще решена.

Метод основан на наложении спектра звезды на сильно изрезанный линиями калибровочный спектр. Для калибровки используются пары иода в ячейке, помещаемой перед спектрометром. Температура ячейки поддерживается строго постоянной. Спектрометр выдает суперпозицию двух сильно изрезанных спектров поглощения - звезды и иода. Небольшие смещения спектра звезды приводят к изменениям суперпозиции на всех частотах, что значительно увеличивает точность измерения. Но потом надо учесть то, что мы сами находимся сложном быстром движении - суточное вращение Земли (1 км/с), движение вокруг Солнца (30 км/с) , влияние Луны, наконец, влияние всех остальных планет. Все это надо точно вычитать. В результате удалолсь получить точность 3 м/с - скорость человека, бегущего трусцой (сейчас точность уже приближается к 1 м/с - скорость идущего человека).

Именно этот метод обеспечил прорыв в поисках планет.

Прорыв

Первое открытие было сделано группой из Женевской обсерватории - у звезды 51 Пегаса, похожей на Солнце, расстояние 15 парсек, найдены колебания радиальной скорости с полной амплтиудой 120 м/с и периодом 4.2 дня. Соответствующие параметры планеты: масса 0.47/sin(i) массы Юпитера, Mj, размер орбиты - 0.04 АЕ. То есть, очень большая планета вращается очень близко к звезде. Глядя на нашу систему и вспоминая теории ее образования, нелегко было предположить, что такое может существовать. И подобная планета была подарком для исследователей - обнаружить ее ее относительно легко благодаря большой амплитуде и малому периоду колебаний скорости. Будь все системы такой как наша, планеты искали бы гораздо дольше.

Рис. 1. Кривая радиальной скорости звезды 51 Пегаса - первое открытие внесолнечной планеты.

Почти сразу после швейцарской группы (точнее, швейцарско-французской), открытие подтвердила группа из Сан-Франциско, которая впоследствие вырвалась в лидеры по числу открытых планет. Первые кривые измерений радиальной скорости были простыми синусоидами, что соответствует круговой орбите планеты. Вскоре обнаружили более сложные кривые с быстрым подъемом и медленным спуском (или наоборот, что все равно).

Джеф Марси, лидер Сан-Францисской группы, рассказывал про впечатление, которые произвела на них первая из этих асимметричных кривых. До того, хоть планетная гипотеза колебаний скорости и была убедительной, оставались сомнения: может быть это просто "дыхание" звезды - периодические расширения и сжатия. Но после того, как несинусоидальная кривая отлично подогналась вытянутой кепплеровской орбитой планеты, все сомнения отпали.

Рис. 2. Кривая радиальной скорости звезды 16 B Лебедя, планета которой имеет сильно вытянутую орбиту.

Далее появились еще более сложные кривые, для подгонки которых требовались две планеты (при этом удается определить параметры орбит и пределы на массы для обеих). Наконец, была найдены система из трех планет. Одна планета с M/sin(i) = 0.69 Mj^ совсем близко к звезде - 0.06 АЕ, период 4.6 дня, вторая минимум в два раза массивней Юпитера вращаеися по орбите, близкой к земной, и третья планета, еще больше, M/sin(i) = 4.3 Mj, вращается по вытянутой орбите в 2.6 АЕ.

Еще одно очень интересное открытие сделали независимо швейцарско-французская группа и команда из Сан-Франциско: первая в истории регистрация прохождения планеты на фоне звезды. О существовании этой планеты уже было известно из спектрометрических измерений радиальной скорости. Известен даже момент времени, когда планета может пойти на фоне звезды: в одной из средних точек синусоиды радиальной скорости. Неизвестен угол наклонения орбиты, который определяет - может ли вообще планета пройти на фоне звезды. Соответствующая веростность мала (порядка отношения раэмера эвезды к размеру орбиты планеты), поэтому надо вести фотометрический контроль многих систем, прежде чем повезет.

Рис. 3. Прохождение планеты через диск звезды.

Повезло в сентябре 1999 г. График изменения яркости звезды показан на рисунке 3. Яркость упала на полтора процента, значит диаметр планеты чуть больше одной десятой диаметра звезды. Естественно, такой эффект повторяется с каждым периодом орбитального вращения - через 3.52 дня. Благодаря прохождению измеряются сразу несколько параметров: точняя масса (т.к. sin(i) близок к 1) - 0.69 Mj, радиус планеты - 1.54 Rj, плотность 0.23 г/см^3 (т.е. планета сильно раздута в сравнении с Юпитером). Радиус орбиты 0.042 АЕ, равновесная температура на поверхности (условной, поскольку это газовый шар) - 1100 К. Сама звезда чуть тяжелее и ярче Солнца.

Итак, методика серийного обнаружения больших планет у окрестных (десятки парсек) звезд действует. Текущий каталог планет можно посмотреть Здесь. Находки уже изменили представления о пределах разнообразия, об образовании и зволюции планетных систем. Но это все планеты гиганты, где жизнь невозможна. А нам бы хотелось, чтобы нашли что-то вроде Земли.

Поиски планет земного типа и следов жизни

На самом деле, каталог открытых планет уже содержит хорошую новость: там есть несколько планет гигантов с орбитами, близкими к земной. В нашей системе у планет гигантов шесть больших спутников, два из них (Ганимед и Титан) больше Меркурия. Весьма вероятно, что и у тех планет гигантов есть спутники, приближающиеся по масштабам к планетам земной группы. Условия на таких спутниках были бы похожи на земные и не видно никаких причин, препятствующих существованию на них жизни. Правда, обнаружить такой спутник мы не можем. Но все-таки, есть методы, которые позволят находить планеты земного типа в обозримое время. Это поиск прохождений планет по диску звезды и инфракрасная интерферометрия в космосе. Более того, можно даже увидеть прямые свидетельства жизни, например, полосу поглощения озона в районе 9.6 микрометра (свободный кислород в атмосфере может поддерживаться только жизнью). Рассмотрим существующие проекты в порядке убывания проработанности и возрастания грандиозности.

1. COROT - (ESA) европейский проект, специализированный 30-см космический телескоп, снимающий кривые блеска многих звезд на предмет прохождения планет. Предполагаемый запуск - конец 2004 г. Предполагаемый потенциал - десятки планет земного типа.

2. KEPLER(NASA) Космический телескоп Шмидта 0.95 м., способный одновременно отслеживать 100 000 звезд. Потенциал: порядка 50 планет, эквивалентных Земле (если они есть у большинства звезд) или 640 планет в 2.2 раза больше Земли, если таковые есть у большинства звезд. Планируемый запуск - 2005 г.

Рис. 5. Смоделированный спектр Земли так, как его снял бы Дарвин с расстояния 10 парсек.

6. TPF(NASA) (Terrestial Planet Finder) Тоже инфракрасный интерферометр по идеологии идентичный предыдущему. Оба проекта находятся на ранних стадиях разработки.

Есть и совсем уж фантастические проекты (Optical Very Large Array), претендующие на получение изображений земных планет типа 25Х25 пикселей, где былы бы видны моря и континенты. Хотя, ничего невозможного, кроме масштаба необходимого финансирования, в них нет.

Конечно, открытие планет типа Земли, да еще с признаками кислорода в спектре - одно из таких событий, до которых хотелось бы дожить.

перейти к началу страницы