Разведка далеких планет

Рис. 6.9. Планета Фомальгаута. В мощном пылевом диске вокруг звезды Фомальгаут телескоп «Хаббл» сфотографировал планету (в белом квадрате). Светлый кружок в центре снимка обозначает положение Фомальгаута (сама звезда закрыта экраном), эллипс, показанный для масштаба, имеет размер орбиты Нептуна. За два года наблюдений экзопланета сместилась очень незначительно, так как период ее обращения по орбите – около 900 лет. Фото: Kalas и др., http://arxiv.org/abs/0811.1994 .

Получение прямых снимков экзопланет – важнейший этап в их изучении. Во-первых, этим окончательно подтверждается их существование. Во-вторых, открыт путь к изучению свойств этих планет: их размеров, температуры, плотности, характеристик поверхности. И самое волнующее – не за горами расшифровка спектров этих планет, а значит, выяснение газового состава их атмосферы. О такой возможности давно мечтают экзобиологи.

Впереди – самое интересное

Л насколько далеки от нас планетные системы иных звезд? Видны [и эти звезды глазом или, скажем, в простой бинокль? Можем ли мы, взглянув ясным вечером на небо, указать своим друзьям: «А вот у этой, и у этой, и во-о-о-н у той звезды есть свои планеты. Возможно, некоторые из них обитаемы»? На эти вопросы легко ответить, поскольку в Каталоге экзопланет [7]можно найти все необходимые данные. В октябре 2010 г. в нем содержалось немногим более 500 объектов, претендующих на звание планет. Поскольку для большинства из них определена лишь нижняя граница массы, будущие исследования, вероятно, переведут часть кандидатов в разряд коричневых карликов, т. е. переместят их из группы гигантских планет в сообщество «неполноценных» звезд. Но таких «перебежчиков» будут единицы, и это не изменит статистических выводов. А выводы таковы.

Обнаруженные планеты «живут» в окрестности примерно 4 сотен звезд. Ближайшая из них (ε Eri) удалена от нас на 3,2 пк, то есть всего лишь на 10 световых лет! Половина всех внесолнечных планетных систем лежит в пределах 40 пк от Солнца, еще треть находится не далее 80 пк, а на расстояниях более 1 кпк располагаются буквально единицы. Таким образом, практически все обнаруженные экзопланеты – наши ближайшие галактические соседи. Даже если мы открыли уже все планеты в пределах 100 пк от Солнца (а это, разумеется, не так), то в диске Галактики их должно быть очень много. Можно оценить их количество по порядку величины: галактический диск имеет толщину около 200 пк и радиус около 15 кпк. Следовательно, его объем в 34 тыс. раз больше объема шара радиусом 100 пк. Если в окрестности Солнца более 400 звезд с планетами, то в диске Галактики их не менее 14 млн. Скорее всего, их намного больше, но и 14 миллионов – цифра немаленькая!

Теперь вернемся к вопросу о видимости звезд, обладающих планетными системами. Можно ли хотя бы некоторые из них заметить невооруженным глазом, чтобы в ясную ночь, бросив на нее взгляд, подумать: «А вон у той звезды есть своя планетная система. Интересно, кто там обитает?» Оказывается, это возможно! Самая яркая звезда на нашем небе, обладающая по крайней мере одной планетой, – это красный гигант Поллукс (ß Близнецов, HD 62509), звезда первой величины (V= 1,2 ^m), легко различимая на самом засвеченном городском небе, даже в центре Москвы. Зимней ночью или весенним вечером вы без труда найдете ее в южной части неба, высоко над горизонтом, и, глядя на мерцающий оранжевый огонек, предадитесь фантазиям о планетах этой звезды. Правда, пока в этой системе обнаружено присутствие только одной гигантской планеты: она втрое массивнее Юпитера и обращается по круговой орбите на расстоянии 1,7 а. е. от своего светила. Но вполне вероятно, что кроме нее там есть и другие планеты.

Яркий блеск Поллукса делает его «звездой первой величины» среди обладателей экзопланетных систем. Но не он один из этой компании виден невооруженным глазом. Без особого напряжения на городском небе можно различить звезды до 4 ^m. Среди обладателей экзопланет таких звезд шесть. А если у вас отличное зрение и вы находитесь вдали от городских огней, то сможете различить звезды до 6 ^m; среди «владельцев» экзопланет таких звезд около 50. Так что в какую бы часть неба вы ни посмотрели, перед вами всегда будет доступная невооруженному глазу звезда с планетами. А если вооружитесь обычным полевым биноклем, то вам станут доступны объекты почти до 9 ^m, и вы сможете увидеть подавляющее большинство звезд, у которых сейчас обнаружены планеты.

Ближайшая из открытых экзопланет принадлежит знаменитой звезде г Эридана (ε Eri), одной из двух первых звезд, от которых в рамках проекта «Озма» (1960 г.) радиоастрономы пытались поймать сигналы внеземных цивилизаций. Вторым объектом этого проекта была еще более известная звезда τ Кита, но у нее планеты пока не найдены. Обе эти звезды входят в тридцатку ближайших звезд и в целом похожи на Солнце, хотя немного меньше и тусклее него. Планета ε Eri b в полтора раза массивнее Юпитера и движется по орбите с большой полуосью 3,4 а. е. Казалось бы, сходство системы ε Eri с Солнечной системой налицо, осталось найти там планеты земного типа и обнаружить у них биосферу. Но тут есть серьезная проблема: планета-гигант ε Eri b движется по сильно вытянутой орбите с эксцентриситетом 0,7, при этом она приближается к «зоне жизни» звезды (диапазон расстояний, в котором на поверхности планеты возможно существование жидкой воды) и мешает устойчиво двигаться там планетам земного типа. Но все же ситуация не безнадежна, и нужно продолжать поиск.

Обнаружение первых внесолнечных планетных систем стало одним из крупнейших научных достижений XX в. Решена важнейшая проблема: Солнечная система не уникальна, формирование планет рядом со звездами – закономерный этап эволюции. Несколько столетий астрономы бьются над загадкой происхождения Солнечной системы. Главная проблема в том, что нашу планетную систему до сих пор не с чем было сравнивать. Теперь ситуация изменилась: в последнее время астрономы открывают в среднем по одной планете в неделю; в основном это планеты-гиганты, но уже созданы приборы, способные обнаруживать планеты земного типа. Становятся возможными классификация и сравнительное изучение планетных систем. Это значительно облегчит отбор жизнеспособных гипотез и построение правильной теории формирования и ранней эволюции планетных систем, в том числе нашей Солнечной системы.

В то же время стало ясно, что наша планетная система нетипична: ее планеты-гиганты, движущиеся по круговым орбитам вне «зоны жизни» (область умеренных температур вокруг Солнца), позволяют длительное время существовать внутри этой зоны планетам земного типа, одна из которых – Земля – даже имеет биосферу. Среди обнаруженных планетных систем большинство не обладает этим качеством. Мы понимаем, конечно, что массовое обнаружение преимущественно горячих юпитеров – временное явление, связанное с ограниченными возможностями нашей техники. Но сам факт существования таких систем поражает: очевидно, что газовый гигант не может сформироваться рядом со звездой – но тогда как же он туда попал?

В поисках ответа на этот вопрос теоретики моделируют формирование планет в околозвездных газово-пылевых дисках и узнают при этом много нового. Оказывается, планета в период своего роста может мигрировать по диску, приближаясь к звезде или удаляясь от нее, в зависимости от структуры диска, массы планеты и ее взаимодействия с другими планетами. Эти теоретические исследования чрезвычайно интересны: результаты моделирования можно сразу проверять на новом наблюдательном материале. Расчет эволюции протопланетного диска на хорошем компьютере занимает около недели, а за это время наблюдатели успевают открыть новую планетную систему.

Нередко эти открытия ставят теоретиков в тупик. Так, неожиданностью стало в 2005 г. сообщение об открытии планеты в системе тройной звезды HD 188753 (с. 9 цветной вкладки). Там горячий юпитер обращается с периодом 3,35 сут. вокруг очень похожей на Солнце звезды HD 188753А, у которой есть еще пара небольших звезд-спутников (HD 188753В и HD 188753С). Эти две звездочки совершают взаимный пируэт с периодом 156 сут. и обращаются вокруг главной звезды HD 188753А с периодом 25,7 года по эксцентричной орбите, занимая область между орбитами Юпитера и Урана. Обнаружение планеты в системе двойной и даже тройной звезды само по себе не стало сенсацией: такие примеры уже были известны и даже получили прозвище «татуинских планет» (намек на родную планету Скайуокера из киноэпопеи «Звездные войны»). Но в предыдущих случаях звезды располагались на больших расстояниях друг от друга и почти не вмешивались в формирование планетных систем вокруг каждой из них. В случае же HD 188753 область формирования планет-гигантов оказалась занятой парой звезд-спутников. Где же тогда сформировался горячий юпитер HD 188753А b до того, как он мигрировал к своему нынешнему положению вблизи хозяйской звезды? Теоретики не могут ответить на этот вопрос и поэтому надеются, что существование «татуинской» планеты HD 188753А b не подтвердится. А наблюдатели пока спорят, существует эта планета или нет.