Текст книги "Загадки космоса. Планеты и экзопланеты"

Эффект Доплера обычно иллюстрируют с помощью примера с поездом, звук гудка которого при приближении состава становится выше, а при удалении – ниже. Высота звука зависит от воспринимаемой частоты. Звук, как известно, это волна плотности, распространяющаяся в некой среде. Когда поезд приближается, гребни звуковых волн доходят до нас чаще и, следовательно, воспринимаемая частота кажется выше. А когда поезд удаляется, гребни доходят реже и частота звука воспринимается как более низкая. Эффект Доплера характерен для любого типа волн – звуковых и световых, волн на воде.

Воспринимаемая частота света, излученного звездой, зависит от того, с какой скоростью звезда движется относительно Земли. Если она удаляется, то воспринимаемый свет, разложенный в спектр, смещается в сторону низких частот – в сторону красного цвета, – а если звезда приближается к наблюдателю, то в ее спектре преобладают оттенки синего. В Галактике есть звезды, существование планетных систем возле которых удобно обнаруживать, наблюдая, как со временем меняются их спектры, – такой способ называют методом доплеровской спектроскопии. Плоскости эклиптик планетных систем этих звезд расположены к нам как бы ребром. Вращаясь вокруг центра масс, звезда в такой системе одну половину своего годичного периода удаляется от нас, а другую – приближается. Если спектр звезды со временем меняется каким-то периодическим образом, значит, звезда движется, а потому вполне вероятно, вокруг нее есть планета или планеты. Графики, показывающие, как спектр зависит от времени, называются спектрограммами.

Но как понять, сдвинулся спектр или нет? Свет рождается в самой горячей части звезд, в ядре, во время реакции ядерного синтеза. Любопытно, что для того, чтобы пробиться сквозь толщу звездного вещества, фотонам, элементарным частицам света, часто необходимо потратить сотни тысяч и даже миллионы лет. Сегодня мы видим свет, рожденный в те времена, когда по Земле ходили еще очень далекие наши предки. В ядре свет генерируется на всех возможных частотах, но, когда он проходит через более холодные наружные слои звезды, в спектре образуются линии поглощения, соответствующие химическим веществам звездной атмосферы. Если линия поглощения сместилась с того положения, где она была некоторое время назад, это говорит о том, что сместилась частота, а значит, звезда движется. Если же удастся увидеть синусоидальное смещение линий поглощения в спектре звезд – это будет свидетельством кругового движения звезды вокруг центра масс ее планетной системы.

Наиболее эффективным способом обнаружения экзопланет стал транзитный метод, именно так искал планеты «Кеплер» и так продолжает искать и исследовать их следующее поколение космических телескопов: COnvection ROtation and planetary Transits, или COROT, Transiting Exoplanet Survey Satellite, или TESS, и CHaracterising ExOPlanets Satellite, или CHEOPS. Идея транзитного метода самая простая из рассмотренных, но именно поэтому она требует невероятно точной техники. Суть в том, что вместо изучения спектров звезд следить нужно за их блеском – грубо говоря, за количеством принимаемых телескопом в единицу времени фотонов. Если у звезды есть планета, то периодически она заслоняет небольшую площадь звездного диска и звезда ненадолго тускнеет для наблюдателя.

В следующих главах мы более подробно рассмотрим спектроскопический и транзитный методы обнаружения экзопланет, а также (с долей фантазии) попытаемся представить себе пейзажи некоторых из миров, обнаруженных астрономами за последнее время. Здесь, на Земле, еще никто и никогда не встречался ни с чем подобным. Но законы физики и химии, работающие одинаково во всех уголках Вселенной, неминуемо приводят к рождению таких удивительных и разнообразных миров. Только помните, что многие наши выводы могут оказаться ошибочными, ведь даже самые близкие к нам планеты Солнечной системы – те, что мы исследуем напрямую, а не косвенно, реконструируя их поверхности по жалким кусочкам информации, – продолжают преподносить сюрпризы в ходе каждой новой исследовательской программы.

На начало 2020 года, согласно сайту NASA Exoplanet Archive, нам достоверно известно о существовании свыше 4 000 экзопланет. Но у нас есть лишь самые общие сведения о них. Возможно, когда-то наши телескопы позволят разглядеть там даже материки и обнаружить следы влияния жизни на рельеф и атмосферу экзопланет. Быть может, однажды космонавты ступят на поверхность чужих планет и своими глазами увидят, что мы были правы (или не правы) в своих предположениях.

Глава 5. Джоселин Белл, пульсары и тайна первой планеты

Когда придет время, моя совесть будет чиста. Я сделала все возможное.

ДЖОСЕЛИН БЕЛЛ

Чтобы рассказать о первой открытой экзопланете, нужно сделать небольшое отступление и познакомиться с Джоселин Белл Бернелл – одним из самых известных астрофизиков, так и не ставшим лауреатом Нобелевской премии, а также ее открытием – одним из самых значительных в астрофизике.

Джоселин Белл родилась 15 июля 1943 года в Белфасте в Северной Ирландии. Ее отец был главным архитектором старинной обсерватории в городе Арма. С детства Белл проводила много времени с сотрудниками этой обсерватории и читала книги о Вселенной из богатой библиотеки отца – в общем, не оставляла себе другого выбора, кроме как посвятить будущую жизнь астрономии.

Окончив Университет Глазго по специальности «физика» с отличием, в 1965 году Белл перебралась в Кембридж – по ее словам, скорее случайно. Она была одной из немногих женщин, которым одобрили заявку на обучение в аспирантуре в таком престижном университете. Когда Белл узнала о зачислении, оказалось, что она подвержена синдрому самозванца: Белл подумала, что закралась какая-то ошибка, ведь она не заслуживает возможности учиться здесь.

В Кембридже Белл начала работать в группе доктора Энтони Хьюиша. Свою научную карьеру тот начал во время войны под руководством Мартина Райла (мы с ним уже встречались в прошлой главе) в Научно-исследовательском центре телекоммуникации в Малверне. Там разрабатывали бортовые радиолокационные системы для авиации. После войны Райл занялся исследованием солнечного радиоизлучения, а затем переключился на более перспективную радиоинтерферометрию. В 1946 году он и его команда создали первый в мире многоэлементный радиоинтерферометр, а чуть позже обнаружили четыре радиозвезды – космические радиоисточники, никак не связанные с обычными звездами. (Позже, уже в 1950-х годах, оказалось, что эти таинственные радиозвезды представляют собой новый тип далеких активных галактик. Их стали называть квазарами.)

В 1948 году Мартин Райл перебрался в Кембридж, где начал читать лекции, а также руководить научной группой в Кавендишской лаборатории. В том же году к группе Райла перебрался Энтони Хьюиш, который занялся выяснением причин недавно обнаруженного мерцания излучения радиозвезд. В итоге, когда оказалось, что это мерцание связано с нарушением условий в верхних слоях атмосферы, Мартин Райл потерял к явлению интерес, а Хьюиш увидел возможность для самостоятельных научных поисков. Так Райл и Хьюиш и продолжали работать – совместно над радиоинтерферометрами и обособленно над собственными проектами.

Но вернемся к Джоселин Белл, присоединившейся к группе Энтони Хьюиша. Он еще с 1965 года намеревался провести крупномасштабное исследование по установлению точных координат уже известных квазаров и поиску новых. Для этого Хьюиш инициировал строительство радиотелескопа, способного «разрешать» события, разделенные интервалом всего в 0,1 с, он назвал его «Межпланетный сцинтилляционный массив». Площадью 16 км2 – чуть больше, чем два футбольных поля, – радиотелескоп состоял из 4 096 простых антенн, объединенных в интерферометрическую сеть. Чтобы соединить все антенны, необходимо было смонтировать около 200 км проводов – и этот труд Хьюиш полностью взвалил на плечи учеников. При зачислении в радиоастрономическую лабораторию Хьюиша, по воспоминаниям Белл, каждому студенту выдавался набор инструментов: плоскогубцы, кусачки и отвертка[29]29
  К слову, через несколько лет незаменимыми работниками в уже функционирующем массиве оказались овцы, лучше и деликатнее справлявшиеся с уничтожением травы, чем газонокосилки в руках студентов.


[Закрыть].

Поначалу Белл наравне с остальными студентами занималась монтажными работами, но, когда летом 1967 года «Межпланетный сцинтилляционный массив» заработал, она переключилась на изучение получаемой с него информации. Все принятые данные передавались на самописцы, выдававшие в день по 30 м картографической бумаги с красной линией, регистрирующей интенсивность радиоисточников. Во времена, когда не существовало никаких компьютеров, просматривать ленты приходилось людям. Задача Белл состояла как раз в этом.

Рисунок 9. Джоселин Белл

Белл просматривала буквально километры распечаток, регистрировавших радиосигналы, в поисках квазаров, а в перерывах, вооружившись плоскогубцами, латала фазированные решетки радиотелескопа. Работая таким образом, она заметила необычный сигнал: серию слабых и регулярных радиоимпульсов с периодом около 1,3 с. На ленте они занимали всего пару сантиметров. Впоследствии Белл рассказывала об этом так: «Это был очень, очень слабый сигнал. Он занимал примерно одну стотысячную долю из трех миль картографических данных, которые у меня были. Я заметила это, потому что была невероятно осторожна и очень внимательна из-за синдрома самозванца. Пусть меня выгонят, но до этого времени я буду работать очень усердно. Когда придет время, моя совесть будет чиста. Я сделала все возможное». Хьюиш сначала подумал, что обнаруженное Белл явление – это переотраженный в атмосфере сигнал с Земли. Холодная война была в самом разгаре, и такой источник мог означать все что угодно.

В течение нескольких последующих месяцев Хьюиш и Белл занимались тем, что перепроверяли все возможные источники таинственных радиоимпульсов. Когда стало понятно, что сигналы имеют все же внеземное происхождение, ученые полушутя назвали их LGM – Little Green Men («Маленькие зеленые человечки»): совсем недавно началась и космическая эра, так что воздух был пронизан предвкушением встречи с инопланетянами. Вскоре в других частях неба были обнаружены еще три подобных радиоимпульса, но с другим периодом. Стало понятно, что это не радиомаяк какой-то инопланетной цивилизации, а некий новый тип астрономических объектов.

Название им было придумано случайно. Во время интервью для газеты The Daily Telegraph в 1968 году научный корреспондент спросил Белл, как следует называть эти радиоимпульсы, и сам же предложил вариант «пульсар» как производную от выражения «пульсирующий квазар». На том и остановились, а название прижилось.

О своем открытии ученые написали две статьи в Nature – в самый известный научный журнал в мире^{32, 33}. Белл защитила докторскую диссертацию по квазарам – менять тему было уже поздно, но она добавила приложение с подробностями об открытии пульсаров. Однако общество, по-видимому, еще не было готово к тому, что открытие может совершить недавний студент. В 1974 году Нобелевский комитет присудил премию по физике Мартину Райлу, за новаторские исследования в радиоастрофизике, и Энтони Хьюишу, за решающую роль в открытии пульсаров, – безусловно, достойным людям. Белл в список номинантов на премию не попала.

В результате разгорелся скандал. По мнению общественности, именно Джоселин Белл сделала величайшее открытие в астрофизике и именно ей должны были присудить Нобелевскую премию. Но, судя по всему, сама Белл, в силу природной скромности, не очень расстроилась. Она сделала прекрасную карьеру, получила множество наград и премий и в 2013 году вошла в сотню самых известных женщин Великобритании. Наконец, в 2018 году она была удостоена Премии за прорыв в области фундаментальной физики в размере трех миллионов долларов (как три Нобелевские премии) за открытие радиопульсаров. Все деньги Белл пожертвовала Институту физики в Лондоне на «финансирование выпускников из недостаточно представленных групп – женщин, представителей этнических меньшинств и беженцев, чтобы они могли стать учеными-физиками».

Что же такое пульсары, которые впервые обнаружила Джоселин Белл? Согласно современным представлениям, пульсар – это то, что остается от некоторых звезд на последних стадиях их эволюции. В первой главе рассказывалось, что звезда – это шар, состоящий из плазмы. Звезды рождаются, аккумулируя огромное количество газа, сжимаясь под действием собственной гравитации во все более плотные и горячие сгустки вещества. В какой-то момент плотность и давление внутри звезды достигают такой величины, что начинаются самоподдерживающиеся реакции ядерного синтеза: более легкие ядра превращаются в более тяжелые. Каждая последующая реакция требует все более высоких температур и давления. Когда в центре звезды закончится весь доступный водород, давление и температура возрастут настолько, что начнутся термоядерные реакции с гелием; когда закончится гелий, настанет время углерода, горение углерода сменится горением кислорода и так далее. Элемент, на котором прекратится термоядерный синтез, зависит от начальной массы звезды: так, в случае с Солнцем все остановится на углероде – чтобы «переплавить» его в кислород массы нашей родной звезды недостаточно.

Рисунок 10. Галактика NGC 4526 и ее сверхновая 1994 D (слева внизу). Изображение получено с помощью телескопа «Хаббл»

Если масса звезды больше 8 M_⊕, то химические элементы в ее центре последовательно переплавляются во все более и более тяжелые элементы, вплоть до железа. На железе процесс останавливается. Дело в том, что для того, чтобы превратить железо во что-то более тяжелое, необходимо поглотить дополнительную энергию, тогда как в ходе предыдущих реакций она выделялась. Следовательно, ядерный синтез железа приведет к снижению температуры звезды. Как только это произойдет, внутреннего давления звезды окажется недостаточно, чтобы удерживать ее массу: внешние оболочки звезды обрушатся на ядро и, как брошенный с высоты мячик, отскочат в космическое пространство. Взрыв звезды порождает невероятно яркую вспышку (взрыв сверхновой). Яркость звезды увеличивается в десятки и даже сотни миллионов раз, а количество энергии, излучаемой сверхновой во время взрыва, больше, чем то, что излучают одновременно все звезды Галактики.

После взрыва на месте сверхновой остается компактный сверхплотный объект. Дальнейшая его судьба зависит опять-таки от его массы. Если она больше 2 M_⊕, уже ничего не сможет помешать его коллапсу: объект обрушится внутрь себя и превратится в черную дыру – область с такой сильной гравитацией, что даже свет не может покинуть ее. Если же масса объекта меньше, коллапс остановится ядерными силами и образуется быстровращающаяся нейтронная звезда. При радиусе примерно 20 км и массе, близкой к массе Солнца, плотность звезды такова, что электронные оболочки атомов буквально вдавливаются в протоны, образуя тем самым нейтроны.

У нейтронных звезд есть интересная особенность. Магнитное поле, которым они обладают, имеет напряженность в миллиарды раз бо́льшую, чем на сегодняшний день смогли получить ученые в лабораториях. Даже атомы вещества, попав в такое поле, выстраиваются вдоль линии магнитного поля и становятся похожи на цилиндры, а не на сферы. Ученые до сих пор дискутируют на тему того, как образуется столь сильное поле. Это магнитное поле генерирует поток радиоизлучения. Как и на Земле, оно имеет северный и южный магнитные полюсы. Эти полюсы не обязательно совпадают с осью вращения звезды. (Так же и на Земле: северный полюс, тот, на который указывает стрелка компаса, не совпадает с географическим Северным полюсом примерно на 11°.) Ускоряясь в магнитном поле, электроны и другие заряженные частицы генерируют мощный поток радиоизлучения, которое, в свою очередь, подхватывается магнитным полем, увлекается им и вращается вместе с нейтронной звездой. Это похоже на вращающийся луч света от маяка: если ночью находиться далеко от него, кажется, будто свет мигает. На Земле мы регулярно фиксируем всплески радиоимпульсов[30]30
  Чем дальше радиоисточники от нас, тем лучше. Если взрыв сверхновой произойдет в окрестностях Солнца, он убьет все живое на нашей планете.


[Закрыть]. Нейтронные звезды, от которых с Земли можно наблюдать периодические всплески радиоизлучения, и называются радиопульсарами.

Джоселин Белл в далеком 1967 году обнаружила именно такой объект, поток радиоизлучения которого раз в 1,337 с пробегал по поверхности Земли. И именно возле подобного объекта ровно через четверть века была зафиксирована первая экзопланета. После открытия Белл и Хьюиша астрономы со всего мира принялись искать пульсары, и сегодня мы знаем о тысячах таких объектов.

В январе 1992 года в Nature появилась статья³⁴, в которой польский астрофизик Александр Вольщан (который, кстати, получил образование в университете города Торун, где в свое время учился Николай Коперник, – астрономический мир тесен!) привел доказательства того, что возле пульсара PSR 1257+12[31]31
  Аббревиатура PSR расшифровывается как pulsating radio source («пульсирующий радиоисточник»), а цифры обозначают положение на небе.


[Закрыть] есть планеты. Его метод основывался на тщательном измерении частоты прихода импульсов от нейтронной звезды.

Открытие пульсаров нельзя назвать случайностью. Напротив, история открытия экзопланет начинается со счастливого случая. Вольщан занимался изучением миллисекундных пульсаров – пульсаров, имеющих период до нескольких десятков миллисекунд (их происхождение связывают уже не со взрывом сверхновых, а с двойными системами, один из компаньонов в которых – нейтронная звезда). Он проводил свои исследования на крупнейшем в мире (на тот момент) радиотелескопе «Аресибо» в Пуэрто-Рико. Этот телескоп имеет диаметр более 300 м и располагается в естественном углублении в горах. Во время наблюдений чаша телескопа остается неподвижной, а фокусировку на астрономических объектах обеспечивает перемещающаяся управляемая антенна, прикрепленная к трем опорам. Если бы телескоп функционировал как обычно, заявку Вольщана на работу с ним просто отклонили бы, но управляемая антенна в тот момент находилась в нерабочем состоянии, поэтому спрос на телескоп упал и заявку приняли.

Как и Белл, Вольщан не искал то, что в итоге нашел, – целью его работы было исследование миллисекундных пульсаров. Обнаружил же он два новых пульсара. Первый входил в достаточно интересную систему двух вращающихся друг относительно друга нейтронных звезд. Но потом его внимание привлек другой пульсар – PSR 1257+12 с периодом вращения 6,2 мс. Дело в том, что во времени прихода радиоимпульсов от этого пульсара не было ожидаемой регулярности (у некоторых пульсаров точность периодов превосходит точность атомных часов). Вольщан обнаружил, что во времени прихода сигналов от пульсара PSR 1257+12 наблюдались незначительные, но регулярные отклонения.

С помощью телескопа Very Large Array («Очень большая антенная решетка»), или VLA, названного по традиции очень оригинальным образом, Вольщан перепроверил координаты, а также уточнил периоды накладывающихся на пульсацию возмущений – они оказались равны 66,6 и 98,2 суток. Будь у PSR 1257+12 два компаньона, эту нерегулярность можно было бы объяснить. Но что это за компаньоны? Вряд ли кто-нибудь в то время предполагал, что компаньонами могут оказаться не другие звезды. Но, используя законы Кеплера, Вольщан оценил массы потенциальных компаньонов PSR 1257+12, и они оказались слишком малыми для звезд.

Вольщан долго не понимал, что ему посчастливилось обнаружить. Но, как говорил знаменитый герой Конан Дойла, «отбросьте все невозможное, то, что останется, и будет ответом, каким бы невероятным он ни казался». Вот и у Вольщана остался самый невероятный ответ: на орбите вокруг пульсара находятся две планеты, каждая из которых в четыре раза больше Земли. Позже выяснится, что в их дружной компании есть еще одна планета примерно вдвое больше Луны.

Самая сложная загадка заключается в том, как эти планеты там оказались. Как вы, вероятно, уже поняли, область пространства возле пульсара – это последнее место во Вселенной, где разумный человек будет искать планеты. Мощнейший взрыв сверхновой испарит все в ее планетной системе. Так почему же эти странные планеты оказались так близко к пульсару? Точный ответ на этот вопрос не известен никому. Рассматривается два варианта: экзопланеты были захвачены извне, или же они образовались из вещества, выброшенного сверхновой. Но что произошло на самом деле, в ближайшее время мы, скорее всего, не узнаем. Как бы то ни было, открытие состоялось, и экзопланеты возле пульсара PSR 1257+12 вошли в историю как первые обнаруженные и подтвержденные планеты вне Солнечной системы.

В тот день, когда человечество полетит к звездам, возможно, именно пульсары будут использоваться в качестве естественной навигационной системы. Идея определения положения и скорости космического корабля по пульсарам была предложена еще в 1974 году³⁵. Сейчас открыто несколько типов пульсаров, являющихся источником излучения в радио-, гамма– и рентгеновском диапазонах волн. Рентгеновские пульсары отлично подходят для космической навигации: принимающий рентгеновское излучение детектор может иметь площадь около 100 см², тогда как для регистрации радиопульсаров, например, нужны тарелки диаметром 25–100 м. Когда космический корабль летит в пространстве, он меняет свое положение относительно Земли и выбранного рентгеновского пульсара, характеристики излучения которого мы знаем: надо всего лишь сравнить рассчитанное и фактическое время прибытия радиоимпульса, чтобы определить координаты и скорость космического аппарата по отношению к Земле. Система, использующая три и более пульсаров, позволит вычислить координаты космического аппарата относительно Земли. В 2017 году космический аппарат NICER в качестве подтверждения целесообразности этого метода смог определить свое положение с точностью до 5 км³⁶, наблюдая за пятью пульсарами с орбиты вокруг Земли. Это стало первой демонстрацией в космосе метода пульсарной навигации. В недалеком будущем мы сможем определять положение космических кораблей с точностью до 2 км на расстоянии до 30 а. е. от Земли!³⁷