Текст книги "100 великих загадок астрономии"

Незримая поступь коричневых карликов

Столетиями астрономическая классификация казалась незыблемой: кометы, планеты, звезды… Между планетами и звездами зияла пропасть. Они слишком разнились по своим размерам. Астрономы не раз задавались вопросом: «Какие законы запрещают появление небесных тел, больших, чем планеты, но меньших, чем звезды?» Не было логических объяснений этой разверзшейся пустоте. И несколько десятилетий назад ученые начали поиск объектов, которые могли бы заполнить непонятную лакуну.

Расчеты показывали, что масса этих небесных тел не может превышать 75–80 масс Юпитера (иначе объект загорится звездой) и не может быть меньше 13 масс Юпитера: все, что ниже этого предела, – планеты. Если в их недрах и начинается термоядерная реакция, то быстро гаснет. Мрачно мерцающие каменные шары – вот что они такое. Большую часть излучения, испускаемого ими, должно составлять инфракрасное, то есть тепловое, излучение. Они пышут жаром, как пироги в печи.

Эти тела прозвали «черными», или «инфракрасными», звездами. Лишь в 1975 году американский астроном Джилл Тартер придумала им прозвище, под которым они и вошли в научные труды: «коричневые карлики» (название не вполне точное, поскольку эти объекты выглядят красноватыми).

Однако их поиск обернулся фиаско. Их не было. Открытие же состоялось лишь в 1995 году, когда интерес к ним охладел так же сильно, как их недра. Наблюдая за созвездием Зайца, американские астрономы Шри Кулкарни и Тадаси Накадзима из Паломарской обсерватории обнаружили близ звезды Глизе 229, на расстоянии 18 световых лет от Земли, едва приметную светлую точку. Расчеты показали, что масса этого небесного тела в 30–40 раз превышает массу Юпитера. Это не была звезда. Об этом же свидетельствовал и спектральный анализ, ведь там обнаружился метан. В недрах звезд, разогретых до температуры не менее 1800 °C, он не может существовать, поскольку разлагается при температурах свыше 1200 °C. Объект однозначно был коричневым карликом.

Сравнительные размеры коричневых карликов Глизе 229B и Тейде 1 с Юпитером и Солнцем

Поиски его собратьев продолжились с новой силой. Однако успех пришел лишь в последнее десятилетие. Теперь астрономам известны уже свыше 500 подобных объектов. Их открывают чуть ли не еженедельно. Чаще всего они оказываются спутниками той или иной звезды. Но были обнаружены и карлики, располагавшиеся в стороне от звезд.

Причины длительных неудач объяснимы. В оптическом диапазоне эти небесные тела почти невозможно разглядеть – они светятся в сотни тысяч, а то и миллионы раз слабее Солнца. По результатам спектрального анализа видно, что их атмосфера содержит не только различные газы, но также силикаты и железо. При температуре около 2000 °C, царящей поначалу на поверхности коричневого карлика, железо пребывает в газообразном состоянии и конденсируется по мере того, как он остывает. Тогда на эту полупланету-полузвезду обрушиваются ливни из жидкого железа. Как показывают расчеты, которые проделали астрономы Адам Бургассер и Кэтрин Лоддерс из Вашингтонского университета, на поверхности карликов бушуют страшные бури, с которыми не сравнятся не то что земные ураганы, но и грандиозный вихрь, столетиями наблюдаемый на Юпитере, – Большое Красное Пятно.

Коричневые карлики оказались также мощными источниками радиоизлучения. Так, в 2006 году были обнаружены три подобных объекта, которые ритмично, словно пульсары, испускали радиоволны. Правда, они вращались гораздо медленнее пульсаров, излучая один радиоимпульс раз в два-три часа, в то время как ритм пульсаров исчисляется миллисекундами.

Итак, одни свойства сближают коричневые карлики с планетами, другие – со звездами. Возможно, они образуются, когда рост звезды по какой-либо причине прекращается. Такое может произойти в двойных звездных системах, когда один из партнеров выталкивает другого, прежде чем тот дорастет до размеров настоящей звезды. Причиной коллизии может стать и сила притяжения оказавшейся поблизости звезды, увлекающей за собой «недоношенную» звезду.

Может статься также, что в окрестности молекулярного облака, где рождается карлик, окажется очень горячая звезда. Под действием испускаемых ей ультрафиолетовых лучей вещество облака испарится быстрее, чем карлик успеет сам превратиться в звезду.

Однако недавние открытия астрономов заставили усомниться в последнем сценарии. Павел Кроупа из Кильского университета и Жером Бувье из Гренобльской обсерватории, наблюдая за известной областью рождения звезд – темными облаками в созвездии Тельца, обнаружили там целый ряд коричневых карликов, но поблизости не было очень горячих звезд, которые помешали бы им вырасти в нормальную звезду. Сами карлики были окружены газопылевыми дисками. По сообщению Рэя Джаявардханы из Мичиганского университета, около половины исследованных коричневых карликов, по-видимому, окружены подобными дисками, как и любые молодые звезды.

Очевидно, карлики, как и звезды, образуются в центре молекулярных облаков, тогда как на их периферии, в газопылевых дисках, могут рождаться планеты. У карликов есть свои планетные системы! Так, наблюдение за карликом CFHT BD-Tau 4 в созвездии Тельца показало, что вещества вокруг него хватит на такую планету, как Юпитер. Коричневый карлик в созвездии Хамелеона, в 500 световых годах от Земли, окружен протопланетным диском, где «строительного материала» достаточно, чтобы возникли несколько планет земной группы или такая планета, как Сатурн. «Мы размышляем в основном о планетах, формирующихся вокруг звезд, напоминающих Солнце, – отмечают астрономы, – но планеты могут появиться и возле коричневых карликов».

Это открывает новые возможности изучения внесолнечных планетных систем. Обычно планеты теряются в ярком блеске звезды, остаются недоступны для наблюдателей. Возле коричневого карлика – тусклой точки на небосводе – и планеты выступают из тени. Их можно будет наблюдать в более мощные телескопы.

По мнению некоторых исследователей, на планетах, зародившихся близ коричневого карлика, могла бы существовать жизнь. Расчеты показывают, что на любой планете, находящейся на расстоянии от 1,5 до 7 миллионов километров от него, вода пребывает в жидком состоянии. Впрочем, многие скептично относятся к этой гипотезе. Если бы в подобной системе и появилась жизнь, то ей пришлось бы постоянно приспосабливаться к понижению температуры на поверхности планеты, ведь ресурсы карлика будут истощаться.

Тени коричневых карликов, бессчетно мелькающие на просторах Галактики, обретают свои очертания. Промежуток между звездами и планетами заполняют эти своеобразные небесные тела: недоношенные звезды, планеты-переростки. Они так неприметны, что даже средства массовой информации, иногда сообщающие об открытиях в области астрономии, совершенно не замечают их – этот равновеликий звездам и планетам класс небесных тел.

Одно время считалось, что загадочное темное вещество, из которого в основном и сложено мироздание, состоит из… коричневых карликов. Именно эти мириады полузвезд, мелькающие повсюду и остающиеся в основном невидимыми, могли бы объяснить нехватку вещества во Вселенной. Однако надежды были напрасными. Коричневые карлики оказались никудышными кандидатами на роль темного вещества. На сегодняшний день ученые полагают, что карликов во Вселенной столько же, сколько и звезд. Однако их суммарная масса составляет лишь несколько тысячных долей общей массы Вселенной.

Поиск темного вещества продолжается. Поиск коричневых карликов – тоже.

Эти экстремальные, экзотичные экзопланеты

Еще пару десятилетий назад астрономы спорили о том, существуют ли планеты возле других звезд, или Солнечная система – уникальная космическая формация. Сторонники первой гипотезы приводили те же аргументы, что неизменно вспоминают со времен Джордано Бруно: «Невозможно вообразить себе, чтобы все эти бесчисленные миры, которые столь же великолепны, как наш, или даже лучше его, были лишены обитателей, подобных земным или даже лучших». Солнце – лишь одна из множества звезд. Все остальные звезды похожи на него. Вокруг них обращаются планеты. Многие из них, наверное, обитаемы.

И все-таки открытие первой планеты за пределами Солнечной системы стало подлинной сенсацией в мире науки. Этот новый класс небесных тел – внесолнечные планеты, или экзопланеты, – был обнаружен в январе 1992 года. Первые планеты заметили там, где их никогда не взялись бы искать – в окрестности пульсара PSR B1257 + 12.

На 28　октября 2011　года астрономами было обнаружено 695　внесолнечных планет

В октябре 1995 года швейцарские астрономы Мишель Майор и Дидье Квелоц впервые заметили планету по соседству со звездой, напоминающей Солнце. Это – звезда 51 в созвездии Пегаса. Ученые были немало удивлены. Ведь, приготовляясь искать чужие миры, они рассчитывали, что те будут похожи на известный образец – нашу Солнечную систему, где все планеты обращаются вокруг звезды по траекториям, напоминающим почти идеальные окружности, – и что газовые гиганты размером с Юпитер будут держаться в некотором отдалении от звезды. Здесь же огромная планета располагалась буквально рядом со звездой (за такими планетами закрепилось название «горячие юпитеры»). Их разделяло всего 8 миллионов километров – в шесть с лишним раз меньше расстояния между Меркурием и Солнцем. Окажись на месте этой планеты Юпитер, от него остался бы жалкий, неприметный комочек – твердое ядро, разогревшееся до 1300 °C. Его обширная оболочка, состоящая из легких элементов – водорода и гелия, мигом улетучилась бы. В Солнечной системе все гигантские планеты сохранились потому, что находятся вдали от Солнца.

Вскоре американские ученые открыли еще две планеты, расположенные близ звезды 70 в созвездии Девы и звезды 47 в созвездии Большой Медведицы. Обе эти звезды удалены от нас на несколько десятков световых лет. Обе – по своим размерам, массе и температуре – похожи на Солнце. Однако их планеты мало чем напоминали Землю. Одна двигалась слишком близко от своего солнца, другая – чересчур далеко от него, на расстоянии более двух астрономических единиц. Поэтому на поверхности одной из них царит непереносимый жар, а на другой – вечный холод.

В последующие пятнадцать лет открытия посыпались как из рога изобилия. По данным на 28 октября 2011 года было обнаружено 695 внесолнечных планет. Вот лишь некоторые памятные вехи.

Август 1996 года: первая планета близ двойной звезды 55 Cancri (созвездие Рака; теперь там известно уже пять планет).

Апрель 1999 года: первая внесолнечная планетная система, она расположена близ звезды U Андромеды.

Апрель 2005 года: первая планета близ коричневого карлика 2М1207.

Август 2005 года: планета в тройной звездной системе HD 188753A («Конечно, рассветы на этой планете должны быть фантастические – в ее небе появляются сразу три солнца, красное, оранжевое и белое, – отмечал на страницах журнала “Знание – сила” обозреватель Рафаил Нудельман, – но как она вообще могла образоваться, если влияние наружных звезд давно должно было “вымести” из системы весь плането-строительный материал?»)

Астрономы открыли в космической дали сотни планет. Но в большинстве случаев на них даже не остановиться космонавтам: это газовые шары размером с Юпитер. Пока замечены лишь единичные планеты, похожие на Землю. Но это только по той причине, что, чем меньше небесное тело, тем труднее его обнаружить на просторах космоса. На самом деле слова «вторая Земля» будущим астрономам придется повторять миллионы, если не миллиарды раз. А сколько этих миров населены? Пока же нам не до космической переписи «братьев по разуму», мы делаем только первые – наугад – шаги, высматривая в туманном небе смутные очертания отдельных – еще очень крупных – далеких планет.

И все же пришло время классифицировать этих космических гостий. Так, на страницах журнала «Astrophysical Journal» американский астроном Марк Кучнер предложил разделить новые планеты на 14 категорий. Выбирая им место в этой «табели о четырнадцати рангах», он руководствовался, в первую очередь, составом протопланетного диска, из которого возникают планеты.

Например, «планеты, состоящие из углерода или моноксида углерода, должны встречаться возле белых карликов или пульсаров; они рождаются в богатых углеродом протопланетных дисках – подобный диск обнаружен, например, близ звезды Бета Пикторис». Здешние планеты будут изобиловать метаном и графитом, или, как шутят астрономы, здесь будут выситься горы из алмазов и простираться долины из дегтя.

В зависимости от химического состава диска меняется максимально возможный радиус образовавшихся из него планет (он определяется массой планеты). Чтобы вычислить радиус, нужно подсчитать, насколько сильно уплотнено вещество в недрах планеты. Так, если она состоит из железа, то, естественно, будет заметно меньше по размерам, чем Земля, в том случае, если ее масса равна земной. А вот планета, состоящая только из углерода и равная Земле по массе, будет заметно крупнее нашей планеты. Сама Земля принадлежит к классу силикатных планет, поскольку состоит преимущественно из соединений железа и кремния.

Очевидно, в ближайшее время появятся и другие виды классификаций, например, по особенностям орбит или физическим свойствам планет. В последнем случае выделяют около десятка разновидностей внесолнечных планет:

«горячие юпитеры», разогретые до 700 —1200 °C и расположенные раз в десять ближе к своей звезде, чем Земля (год на них длится не более двух земных недель);

«теплые юпитеры», температура которых достигает 200–600 °C;

«сернокислые гиганты», окутанные пеленой из капелек серной кислоты;

«водные гиганты», окутанные облаками из водяного пара или кристалликов льда;

«двойники Юпитера»; на них так же холодно, как и на настоящем Юпитере;

«горячие нептуны», расположенные очень близко к звезде;

«холодные нептуны», такие же ледяные гиганты, как и наш Нептун;

«горячие» и «холодные суперземли» – планеты земного типа (уже первые открытия показали, что среди них будут встречаться и планеты, напоминающие Венеру, и более холодные планеты).

Впрочем, пока еще подобные классификации выглядят слишком умозрительно. Особенно скудны наши сведения о планетах земной группы. И тем более трудно рассуждать о том, как часто встречаются планеты, пригодные для обитания живых организмов. Может статься, что мы замечаем сейчас самые крупные и «суетливые» планеты, которые нередко дестабилизируют орбиты других объектов своей системы. Большинство же планет просто ничем не выдает себя.

В любом случае, отныне началась новая эпоха – эпоха исследования планет за пределами Солнечной системы. «Планеты – побочный продукт процесса образования звезд; они могут зарождаться практически рядом с любой звездой», – полагает Мишель Майор. С каждым новым открытием внесолнечной планеты наша Вселенная становится все разнообразнее, как и предсказывали писатели-фантасты: наш космос – это бесчисленные миры в бесконечных мирах.

Под далекой звездой-водой

Жизнь родилась в воде, и в ее глубинах она переживет, наверное, даже «конец света». Без воды не может быть и жизни – вот аксиома, впитанная нами с молоком матери, с первыми каплями воды, выпитыми в детстве. Недаром богатое воображение астрономов расплескало немало влаги на картах соседних планет: моря Ясности, Спокойствия, Изобилия – идиллические пейзажи Луны, каналы и моря – на Марсе. До эпохи космонавтики профессия астронома определенно перекликалась с ремеслом гидротехника.

После запуска многочисленных зондов к планетам Солнечной системы их моря превратились в пустыни, чей вечно иссушенный грунт никогда не омывают дожди. И вдруг все повторилось, но только в той несусветной дали, где мелькают не видимые нами планеты. Однако математические расчеты позволяют детально разглядеть их рельеф. Впрочем, те же расчеты показывают, что на поверхности многих планет никакого рельефа мы не увидим. На них мечта наших прадедов – небесные «моря» и «каналы» – внезапно воплощается с таким размахом, что на планетах не остается ни клочка суши. Все покрывает громадный Океан. Над его гладью никогда не заходит «солнце».

«Возникновение подобных планет – это обычное явление для космоса», – отмечает Сэн Реймонд из Вашингтонского университета. В 2003 году он обнародовал свои модели формирования планетных систем. В этих сценариях крохотные зародыши планет сновали между одиночной звездой и газовым гигантом, похожим на Юпитер. Ученый менял орбиту и массу псевдоюпитера. Всякий раз под влиянием его притяжения многочисленные комья сливались в более крупные глыбы, состоявшие из камня и льда. В конце концов возле гипотетических звезд зарождалось от одной до 4 планет земной группы. Самая маленькая из них оказалась в 5 раз меньше Земли, а самая большая – в 4 раза крупнее. Поражало количество воды, накапливавшейся на них. В некоторых моделях воды было в триста раз больше, чем на Земле. На поверхности этих планет простирался бескрайний океан. Похоже, и впрямь зарождение таких планет скорее правило, чем исключение. Возможно, рядом с газовыми гигантами почти всегда рождаются водные миры.

Строение водяной планеты

Более подробную модель составил французский астроном Ален Леже. Его водные миры в пару раз больше Земли, но остаются «безвидны и пусты». Библейские слова «И Дух Божий носился над водою» точно о них сказаны – об этих закономерно возникших планетах. Они словно пережили Всемирный потоп и теперь покрыты толщей воды в 150 километров. Для сравнения: средняя глубина Океана на нашей планете – всего шесть километров.

Вообще же эти планеты отличаются своей особой, геометрической красотой. Вот остов далекого мира – ядро из металла и камня диаметром 7–8 тысяч километров. Его облегает ледяной панцирь толщиной 5 тысяч километров. Над ним – Океан и воздушная оболочка. И неужели такие планеты есть на самом деле? Уж не математический ли призрак они?

Недавно итальянский астроном Кристиано Космовичи обнаружил на довольно близком расстоянии от Земли несколько источников микроволнового излучения. Они находились, например, в окрестности звезды ипсилон созвездия Андромеды и в созвездии Эридана. Судя по характеристикам излучения, там есть скопления воды.

И как могли образоваться эти «водные миры»? Предположительно, это бывшие газовые гиганты. Таких планет в космосе множество, как свидетельствуют открытия последних лет. У каждой гигантской планеты имеется свое ледяное ядро, а поскольку эти планеты обычно движутся по очень вытянутой траектории, сближаясь со звездой, то ядро постепенно тает. Так поверхность планеты покрывается океаном…

… или «воспоминанием об океане» – клубами водяных паров. В 2004 году возле звезды GJ 436 – красного карлика, расположенного по соседству с Землей, в 30 световых годах от нее, – астрономы обнаружили небольшую планету, которая, судя по плотности, состояла в основном из воды и некоторого количества горных пород. Однако заблуждался тот, кто мечтал найти на этой планете океан, полный жизни, океан, который кишит водными организмами. Планета располагается слишком близко к звезде – всего в 4 миллионах километров от нее, а потому ее наружный слой разогрет до 300 °C. Вместо необозримого синего моря здесь простирается густая завеса из водяного пара. Это – «паровой гигант», или своего рода «паровой котел», у которого не осталось стенок.

В недрах же этой планеты вода под большим давлением переходит в особое состояние. Вода, как установили ученые, может принимать более десятка различных состояний, и известный нам лед – лишь одно из них. При чрезвычайно высоких давлениях вода становится твердым телом, значительно более плотным, чем лед (так углерод при очень высоком давлении превращается в алмаз). Физики называют подобные экзотические состояния «лед VII» и «лед Х». Если бы океаны на нашей планете были гораздо глубже, то эти необычные формы воды встречались бы и на морском дне.

Поиски водных миров – сейчас одна из главных задач, стоящих перед астрономами. Ведь там, где есть вода, может быть и жизнь. Тому есть несколько объяснений.

Считается, что жизнь может уцелеть лишь на планетах, чья ось вращения устойчива. Если же планета «кувыркается», то условия обитания на ней меняются так резко, что популяции животных могут погибнуть. Однако, если вся планета равномерно покрыта океаном, то положение ее оси вращения не играет особой роли. Даже если ось повернется, и тот или иной участок планеты внезапно окажется ближе обычного к своему «солнцу» или, наоборот, гораздо дальше от него, то толща океана компенсирует гигантские перепады температуры.

Многокилометровый слой воды, подобно земной атмосфере, защитит животных, прячущихся в ее глубине, от жесткого ультрафиолетового излучения или потоков высокоэнергетичных частиц. Им незачем жить в ожидании бед – их спасет океан. Расчеты показали, что жизнь на дне громадного океана уцелеет, если даже неподалеку взорвется сверхновая звезда.

Как отмечают многие ученые, страшнее всего для зародившейся жизни будет, если планета, перемещаясь по своей орбите, покинет достаточно узкую «зону жизни». Но вот для «водных миров» это не так опасно. Когда планета, полностью покрытая водой, движется по эксцентричной орбите, опасно сближаясь с «солнцем», верхний слой воды неминуемо вскипит и испарится. Однако это не погубит жизнь. Организмы, населяющие океан, будут лишь периодически совершать миграции, то забираясь поглубже, когда небесный жар выжигает планету, то всплывая к поверхности, когда водяные пары, конденсируясь, будут непрестанно проливаться дождем. Часть их переживет и ледниковый период, который наступит, когда планета удалится от «солнца».

Но какая жизнь может ждать нас там, где от горизонта до горизонта – лишь мерный ход волн? Можно ли вообразить носителей разума, таящихся среди бурунов? В богатой галерее инопланетян, созданной писателями-фантастами, почти нет места разумным существам, не кажущим носа из подводного царства. Разве что вспомнятся дельфины, которых лет сорок назад энтузиасты объявляли нашими «братьями по разуму». Да вот еще знаменитый британский фантаст Артур Кларк в одном из своих рассказов описал гигантских кракенов, наделенных разумом. Они создают подводную цивилизацию, изъясняясь на языке световых сигналов. Стоит вспомнить и «Солярис» Станислава Лема, где Океан, покрывший планету, – одно огромное мыслящее существо.