Лев Шильник Космос и хаос. Что должен знать современный человек о прошлом, настоящем и будущем Вселенной

До недавнего времени многие ученые полагали, что планеты – весьма редкое явление в космосе. Такой взгляд с очевидностью вытекал из теории происхождения планет английского астронома Джинса. Согласно этой некогда популярной теории, планеты Солнечной системы образовались из языка солнечного вещества, который был выхвачен гравитационными силами проходившей мимо Солнца массивной звезды. Струя вещества, выплеснувшаяся в космос, имела веретенообразную форму – с утолщением в центральной части и сравнительно тонкими концами. Поэтому ближайшие к Солнцу планеты земной группы и наиболее удаленные вроде Плутона и других объектов пояса Койпера невелики по размерам и массе, а в центре Солнечной системы обосновались газовые гиганты. А поскольку сближение звезд – событие не только случайное, но и крайне редкое (во всяком случае, на задворках Млечного Пути, где находится наше Солнце), рождение планетных систем совершается весьма нечасто. Правда, сегодня теория Джинса представляет в значительной мере исторический интерес, так как на смену ей пришел иной сценарий: практически одновременное возникновение планет и Солнца из вращающегося газово-пылевого облака. Как бы там ни было, но теории остаются теориями, а мы желаем знать наверняка, существуют ли планетные системы у других звезд.

Разумеется, прямое оптическое наблюдение планет возле других звезд невозможно даже сегодня и вряд ли будет возможно в обозримом будущем. И хотя научно-технический прогресс поспешает вперед семимильными шагами, существуют запреты принципиального характера. Планеты, как известно, представляют собой небесные тела, которые светят отраженным светом своего солнца, поэтому их блеск на фоне сияния материнской звезды практически неразличим. Разглядеть чуточную искорку на фоне полыхающего костра до сих пор не удавалось еще никому. Возможно, что в центре Млечного Пути, где звезды сбиваются в тесные стаи, визуальное отслеживание планет не представляет особых трудностей, но на периферии нашей Галактики фиксация планет у соседних звезд оборачивается почти неразрешимой задачей. Спиральные рукава Млечного Пути, в одном из которых прозябает наше Солнце, отстоящее от центра Галактики на 26 тысяч световых лет, не могут похвастаться высокой плотностью звездного населения. Это отнюдь не Голландия, не Бельгия и не долина Ганга, где люди сидят друг у друга на головах, а скорее Якутия или Чукотка. В наших галактических широтах очень много свободного места. Напомню вам, читатель, что даже ближайшие звезды лежат невообразимо далеко: расстояние до Проксимы Центавра (кстати, «проксима» в переводе с латыни означает «ближайшая») составляет 4,3 световых года, знаменитая «летящая» звезда Барнарда отстоит от Солнца на 6 световых лет, а до Сириуса – самой яркой звезды нашего неба – почти 9 световых лет.

Если взять куб со стороной в 10 световых лет, то в нем в лучшем случае поместятся две-три звезды. А вот в заурядном шаровом скоплении, лежащем неподалеку от центра Галактики (в составе Млечного Пути таких скоплений около 200), на 100 кубических световых лет приходится несколько сотен звезд. Плотность звездного населения там в несколько тысяч раз выше, и ночное небо в тех краях должно быть необыкновенно ярким. Итак, подчеркнем еще раз: прямое оптическое наблюдение вне-солнечных планет (или экзопланет, как их стали называть сегодня) не представляется возможным.

Но если экзопланету нельзя обнаружить непосредственно, то, быть может, в распоряжении современной астрономии имеются косвенные методы их выявления? В настоящее время таких методов предложено несколько – астрометрический способ, метод лучевых скоростей, наблюдение транзитов и некоторые другие. Я не стану вдаваться в технические детали и по косточкам разбирать каждый из этих подходов, а отмечу только, что большинство современных методов обнаружения экзопланет основывается на учете гравитационных возмущений в движении звезд. Дело в том, что любое массивное тело (например, планета), вращаясь вокруг звезды, воздействует на нее силой своего тяготения. При этом планета как бы слегка подтягивает звезду к себе, а поскольку за счет движения по орбите она периодически оказывается по разные стороны от светила, то и звезда периодически смещается в разных направлениях под действием гравитации планеты. Другими словами, если планета движется по орбите вокруг материнской звезды, то и звезда, в свою очередь, не остается неподвижной, а описывает крохотную окружность в пространстве под влиянием сил тяготения своего естественного спутника. Таким образом, оба тела в действительности вращаются вокруг общего центра масс, который астрономы называют барицентром.

Разумеется, масса планет ничтожно мала по сравнению с массой звезды, поэтому размах ее колебаний весьма невелик. Скажем, Солнце под воздействием притяжения Юпитера (а это самая массивная планета) колеблется относительно центра масс Солнечной системы со скоростью всего 12,5 метра в секунду. Для Земли или Венеры эта величина еще меньше и составляет примерно 0,1 метра в секунду. Можно сказать, что Солнце чуть-чуть покачивается при движении планет по своим орбитам, а барицентр Солнечной системы лежит, таким образом, внутри нашего светила. До самого недавнего времени чувствительность аппаратуры, имеющейся в распоряжении астрономов, была явно недостаточна, чтобы обнаружить легкие небесные тела у других звезд. И хотя такие попытки неоднократно делались, все они находились на пределе экспериментальной точности и подвергались обоснованному сомнению.

Положение изменилось только в начале 90-х годов прошлого века, когда появились спектрометры нового поколения, позволявшие гораздо точнее измерять лучевые скорости звезд. Что такое лучевая скорость? Если у звезды имеется спутник (другая звезда или планета), то при движении вокруг барицентра лучевая скорость звезды (скорость ее приближения или удаления от наблюдателя по лучу зрения) будет испытывать колебания с периодом, равным периоду обращению звезды вокруг центра масс. Чувствительность аппаратуры в конце XX столетия выросла, по крайней мере, на порядок, так что стало возможным находить внесолнечные планеты, сопоставимые по массе с Юпитером.

Помимо астрометрического метода и метода лучевых скоростей, существует еще один способ обнаружения экзопланет – так называемое наблюдение транзитов. Если поймать планету в момент ее прохождения по диску звезды, можно не только вычислить ее массу, но и определить размеры (объем), а следовательно – рассчитать плотность. Разумеется, различить темный кружок на точечном диске звезды нельзя (даже в самый мощный телескоп звезды выглядят безразмерными точками), однако измерить небольшое уменьшение потока света от звезды вполне возможно. К сожалению, метод наблюдения транзитов требует выполнения особых условий: планета, ее звезда и земной наблюдатель должны располагаться в одной плоскости (в плоскости кеплеровской орбиты, как говорят астрономы). Такая удача выпадает сравнительно редко, поэтому случаи наблюдения транзитов можно буквально пересчитать по пальцам. Тем не менее овчинка стоит выделки, ибо только с помощью этого метода удается изучить ряд важных характеристик экзопланет, измерить их радиус и даже исследовать свойства их атмосфер.

Первый успех выпал на долю швейцарских астрономов М. Майора и Д. Квелоца, которым повезло обнаружить планету возле солнцеподобной звезды, обозначенной в каталоге как 51-я в созвездии Пегаса (51 Peg). Это знаменательное событие произошло в 1994 году, однако характеристики первой экзопланеты оказались настолько неожиданными, что ученые решили задержать публикацию, чтобы как следует перепроверить свои результаты. К 1995 году все сомнения отпали, и открытие вылупилось. Новая планета у 51 Пегаса поражала воображение. Ее масса примерно равнялась массе Юпитера, а расстояние от материнской звезды составляло всего 0,05 астрономической единицы, то есть в 20 раз меньше, чем от Земли до Солнца (и даже почти в 8 раз меньше, чем от Солнца до Меркурия). Планета совершала полный оборот вокруг звезды за 4,2 суток – такова была продолжительность ее года. Из-за близости к светилу температура ее поверхности превышала 1000 градусов по Кельвину.

Сказать, что научный мир был повергнут в состояние шока, – ничего не сказать. Планетная система 51 Пегаса оказалась совершенно непохожей на Солнечную систему. Осенью 1995 года Майор и Квелоц доложили о своем открытии на конференции в Италии, а планеты условились называть по имени звезды с добавлением буквы «b» для первой найденной планеты, «с» – для второй и так далее. Поначалу астрономы тешили себя надеждой, что швейцарцев угораздило наткнуться на какую-то аномалию, небывалую редкость в мире планет, однако последующие находки заставили взглянуть на вещи по-иному. Очередная экзопланета имела массу вчетверо большую, чем у Юпитера, а период ее обращения вокруг материнской звезды (то есть год) оказался еще короче – 3,3 суток. Впоследствии планеты подобного типа стали называть «горячими юпитерами». Правда, в 1996 году американским астрономам Д. Марси и П. Батлеру вроде бы удалось обнаружить планетную систему, отчасти напоминающую Солнечную, у звезды ипсилон Андромеды (?And), однако более внимательный анализ показал, что сходство это кажущееся. В системе ?And вокруг материнской звезды кружатся три весьма увесистые планеты, причем масса ближайшей из них немного меньше массы Юпитера, а две другие тяжелее нашего газового гиганта в два и четыре раза соответственно. Первая (самая легкая) планета – типичный «горячий юпитер» с радиусом орбиты 0,06 а. е., а вот две другие лежат на вполне приличных расстояниях – 0,9 и 2,5 а. е. Однако орбиты этих далеких экзопланет не имеют ничего общего с орбитами планет Солнечной системы, поскольку обладают весьма значительным эксцентриситетом. К сожалению, опять неувязочка. Список внесолнечных планет продолжал неуклонно пополняться, и к середине марта 2007 года насчитывалось уже 182 звезды, обремененные планетами. А поскольку в некоторых системах удалось обнаружить несколько планет, их общее количество превысило число 200.

Таким образом, на сегодняшний день астрономы располагают пусть ограниченной, но все же достаточно обширной статистикой, на основании которой можно утверждать, что примерно 4 % звезд, близких к Солнцу по спектральным свойствам, обладают планетными системами или одиночными планетами. У чуть более горячих и чуть более холодных звезд классов F и К (напомним, что наше Солнце относится к классу G) планет обнаружено совсем мало. Разумеется, это не означает, что у горячих белых и голубых звезд планеты отсутствуют в действительности; просто метод лучевых скоростей не универсален и плохо работает, если звезда имеет неспокойную фотосферу.

Но самая главная проблема заключается в том, что практически все новооткрытые экзопланеты или планетные семейства демонстрируют разительное отличие от Солнечной системы и ее планет. Только в единичных случаях удалось обнаружить планеты, обращающиеся по круговым или почти круговым орбитам на достаточном удалении от материнской звезды. Все прочие либо крутятся, как безумные, впритык к своему солнцу, разогреваясь до сотен и тысяч градусов (а ведь речь идет о газовых гигантах размером с Юпитер, а то и больше), либо находятся на резко эксцентрических орбитах, больше напоминающих орбиты комет. Что бы вы сказали о планете, в несколько раз превосходящей по массе Юпитер, которая то приближается к материнской звезде почти вплотную, то улетает за орбиту Нептуна? А между тем именно так сплошь и рядом устроены планетные семейства чужих солнц.

В последнее время астрономы заговорили об «очень горячих юпитерах». Одна такая планета, в полтора раза превышающая Юпитер по массе, была сравнительно недавно обнаружена у звезды солнечного типа. Она расположена на расстоянии 3,3 миллиона километров (0,02 а. е.) от родительской звезды (среднее расстояние Меркурия от Солнца – 58 миллионов километров) и обращается вокруг нее за рекордно короткий срок – 1,2 суток. Материнская звезда с поверхности этой уникальной планеты выглядит как невообразимо огромный, пышущий испепеляющим огнем шар (в 50 раз больше в поперечнике, чем Солнце на земном небосклоне).

Необычные планетные семейства других звезд решительно противоречат общепринятой теории образования планетных систем, согласно которой Солнце и планеты родились из газово-пылевого диска практически одновременно. Все планеты Солнечной системы распадаются на две большие группы: сравнительно небольшие твердые шарики с высокой плотностью, сложенные скальными породами, и газовые гиганты, чья средняя плотность мало отличается от плотности воды. Разница между большими и малыми планетами объясняется тем, что газовые гиганты рождались в центральной части протозвездного облака путем постепенного налипания огромных масс газа на первичное ледяное ядро, а малые планеты формировались на ближней и дальней периферии газово-пылевого диска, где вещества было весьма негусто. Образование планет земной группы мыслится как результат многократных столкновений и слияний так называемых планетазималей (планетных зародышей) с последующим их разогревом за счет радиоактивных элементов, осевших в ядрах твердых планет. Поскольку первичное газово-пылевое облако имело форму вращающегося вокруг вертикальной оси диска с утолщением в центре, орбиты всех планет должны представлять собой почти правильные окружности и лежать в одной плоскости. Во всяком случае, так гласит общепринятая теория планетообразования.

Между тем экзопланеты и экзопланетные семейства упорно не желают вписываться в сию идиллическую картину, поэтому астрофизикам и планетологам приходится подыскивать другие объяснения. И если необычные свойства первых внесолнечных планет поначалу рассматривались как некая аномалия, то новые открытия побуждают задуматься о том, что аномалией, скорее всего, следует считать нашу Солнечную систему. Чтобы объяснить феномен «горячих юпитеров», был предложен механизм миграции, представляющий собой медленное сползание планет с высоких орбит, где они первоначально образовались, на орбиты низкие, околозвездные. То обстоятельство, что они ни в коем случае не могли родиться в непосредственной близости от материнской звезды, где и находятся по сей день, у большинства планетологов сомнений не вызывает. Дополнительным аргументом в пользу «далекого» рождения «горячих юпитеров» являются обнаруженные астрономами газово-пылевые облака в стадии формирования планет. Обширная зона вокруг звезды всегда чисто подметена, свободна от пыли и газа, потому что плотность звездного излучения здесь настолько высока, что напрочь выметает весь мусор на периферию. Поэтому материал, из которого формируются низкоорбитальные «горячие юпитеры», может находиться только на расстоянии не меньше пяти астрономических единиц от родительской звезды. По всей видимости, механизм миграции включается очень рано, а события развиваются весьма стремительно: едва успев родиться, планеты начинают скользить по пологой спирали к своему солнцу, пока приливные взаимодействия звезды и планеты не стабилизируют орбиту «горячего юпитера» вплотную к звезде. Впрочем, вполне возможен и другой сценарий: гравитация материнской звезды постоянно тормозит планету, пока та не рухнет по суживающейся спирали на свое солнце и не сгорит в его недрах.

Притиснутые вплотную к родительской звезде, газовые гиганты являются настолько заурядным явлением, что остается только развести руками. Феномен Солнечной системы не находит внятного объяснения. Доктор физико-математических наук Л. Ксанфомалити, сотрудник Института космических исследований РАН, пишет об этом следующим образом: «Внесолнечные планеты предлагают теоретикам столько вопросов, что впору всю теорию образования планет писать заново. А наивный вопрос: почему миграции нет в нашей Солнечной системе? – им лучше не задавать». Тем более не стоит спрашивать специалистов о других физических параметрах экзопланет. Принимая за точку отсчета Солнечную систему, мы вправе предположить, что средняя плотность газовых гигантов возле чужих солнц (горячие они или холодные – принципиального значения не имеет) должна укладываться в знакомые величины, мало отличающиеся от плотности воды. Однако не тут-то было! Средняя плотность массивных экзопланет «плавает» в очень широких пределах – от половины плотности Юпитера до нескольких плотностей Сатурна. Например, одна из таких планет, ощутимо уступающая Юпитеру в диаметре, основательно превосходит его по массе, из чего следует предположить, что она обладает увесистым ядром из тяжелых элементов, на которое приходится до 0,7 массы новой экзопланеты. Газовые гиганты в Солнечной системе не могут похвастаться столь плотным ядром, так что в стандартной теории происхождения планет этот факт не находит вразумительного объяснения.

Феномен «горячих юпитеров» астрофизики с грехом пополам объяснили, но остаются еще «холодные юпитеры», сплошь и рядом описывающие вокруг материнской звезды настолько растянутые эллипсы, которые больше пристали долгопериодическим кометам, время от времени улетающим в никуда. Правда, компьютерное моделирование вроде бы помогло пролить свет на эволюцию планетной системы ипсилон Андромеды («горячий юпитер» на низкой орбите и две далекие планеты с отчетливым эксцентриситетом орбит). С другой стороны, модели моделям рознь. Например, сотрудники Вашингтонского университета в Сиэтле почему-то пришли к выводу, что большинство экзопланет, сходных по размерам с Землей (на всякий случай для справки: ни одна такая планета пока что не наблюдалась, ибо их обнаружение лежит за пределами современных астрофизических методов), должны быть водными мирами. Они тасовали различные сценарии планетогенеза, и каждый раз на дисплее возникали четыре землеподобные планеты, самая маленькая из которых была впятеро меньше Земли, а самая большая – в четыре раза больше. При компьютерном моделировании на этих виртуальных землях накапливалось невероятное количество воды – в 300 раз больше, чем на реальной Земле, так что вся их поверхность должна быть покрыта впечатляющим океаном многокилометровой глубины.

Кстати, а что можно сказать о поисках планет земного типа? Увы, но практически ничего, так как чувствительность метода лучевых скоростей позволяет надежно обнаруживать только планеты-гиганты (планеты возле пульсаров, о которых речь пойдет ниже, – редкое и счастливое исключение). Самая маленькая из недавно открытых экзопланет вращается вокруг красного карлика – звезды спектрального класса M с температурой поверхности 2–3 тысячи градусов Кельвина (у нашего Солнца – 6 тысяч). Предположительно она является твердой, то есть состоит из скальных пород, как Земля, а ее масса оценивается примерно в 7,5 земной массы (заметно меньше, чем у Нептуна или Урана). Все бы ничего, однако, к сожалению, это опять планета на низкой орбите (правда, по причине сравнительно небольших размеров назвать ее «юпитером» как-то язык не поворачивается). Вокруг своего тусклого солнца она обращается за двое суток (1,94 дня) и находится от него на расстоянии три миллиона километров – в 50 раз ближе, чем Земля от Солнца. И хотя красный карлик – не чета нашему жаркому светилу, он все же разогревает поверхность стремительно летящей планеты до 200–400 градусов по Цельсию. Жизнь земного типа там едва ли возможна.

Однако отчаиваться все же не стоит, поскольку статистика внесолнечных планет далеко не полна. Скажем, немалый интерес представляет система звезды HD37124 в созвездии Тельца, где обнаружены три планеты, каждая из которых вдвое легче Юпитера, а радиусы их орбит равны 0,5, 1,7 и 3,2 а. е. А поскольку особой тесноты в системе звезды из созвездия Тельца не наблюдается, там вполне можно предположить наличие планет земного типа. То же самое относится и к звезде 47 Большой Медведицы, у которой обнаружены массивные планеты, напоминающие Сатурн и Юпитер, с весьма сходными параметрами орбит. Следовательно, во внутренней области этой системы не исключено существование планет земного типа.

Однако факт остается фактом: строение орбит подавляющего большинства экзопланет даже отдаленно не напоминает Солнечную систему. Вплотную притиснутые к своим солнцам раскаленные газовые шары или убегающие по невообразимо растянутым эллипсам ледяные гиганты не имеют ничего общего с планетами Солнечной системы. Если предположить, что во внутренних областях некоторых экзопланетных систем остается место для землеподобных планет, трудно представить, каким образом они смогут уцелеть, ибо миграция гигантов к звезде неминуемо приведет к катастрофическому пересечению орбит.

Даже анатомия чужих газовых гигантов принципиально иная. Многие из них обладают массивным ядром из тяжелых элементов, на которое приходится до 70 % всей массы планеты. Заметно уступая в размерах нашему Юпитеру или Сатурну, такие нетипичные экзопланеты ощутимо превосходят их по массе. В Солнечной системе ничего подобного не встречается. Все эти загадки, вместе взятые, приводят к весьма печальному выводу об уникальности нашей планетной системы. Планеты земной группы обращаются по устойчивым орбитам и в принципе способны быть колыбелью жизни. Планеты-гиганты неспешно кружатся в отдалении и никому не мешают; более того, существует точка зрения, согласно которой они выполняют важную защитную функцию, прикрывая внутренние планеты от неожиданных атак опасных небесных тел. Дело доходит до того, что некоторые астрофизики поговаривают о своеобразном варианте антропного принципа, в соответствии с которым возникновение жизни на Земле теснейшим образом связано с Юпитером.

Астрономия как наука развивалась под знаком нарастающей децентрализации. Сначала мы узнали, что Земля не является центром мироздания, а представляет собой весьма скромное небесное тело, неутомимо снующее вокруг Солнца. Затем выяснилось, что наше великолепное светило, обожествляемое, превозносимое до небес и дарующее жизнь всякой твари, – заурядный желтый карлик спектрального класса G, каковых в составе Млечного Пути насчитывается тьма-тьмущая. Да и расположено оно отнюдь не в центре Галактики, как опрометчиво полагали некоторые астрономы XVIII столетия, а обосновалось на ее далеких задворках, где звезд раз-два и обчелся, между двумя пыльными спиральными рукавами. А теперь нам говорят, что диск Млечного Пути, эта скрученная в тугой узел чудовищная клякса с поперечником в 100 тысяч световых лет, есть не что иное, как одна из сотен миллиардов галактик, рассыпанных по необозримой Вселенной.

Мысль об уникальности Солнечной системы продолжает сидеть, как заноза, изрядно отравляя астрономам жизнь. Ксанфомалити пишет:

Поскольку период пульсаров исключительно стабилен (вплоть до 10-14секунд), лучевую скорость нейтронной звезды можно измерить с точностью до 1 см/с, что совершенно недоступно для обычных звезд. Еще точнее можно определить ее периодическое смещение при обращении вокруг барицентра, поэтому у пульсара не составляет большого труда обнаружить планеты с массой порядка Земли. Но поскольку существование планет у пульсаров никому не могло привидеться даже в кошмарном сне, астрономы попросту махнули на них рукой.