Текст книги "Удивительная астрономия"

Поиск других планетных систем

«Одинокие», не имеющие планетной системы звезды, вероятно, нередки в космосе. Поэтому поиск звезд, обладающих собственными планетами, требует немалых трудов. Первым открытиям предшествовало множество заблуждений. Одним из них было предположение о наличии планет вокруг летящей звезды Барнарда.

Эта звезда была случайно открыта в 1916 году и получила тогда свое название «летящая» из-за относительно высокой скорости по сравнению с соседними звездами. Наблюдения за летящей звездой велись с 1938 по 1978 год, то есть сорок лет. За это время были сделаны 2400 фотографий светила, с помощью которых удалось установить, что звезда движется весьма неровно, ее словно что-то раскачивало в пространстве.

Так «раскачивать» звезду может лишь массивная планета или даже несколько массивных планет. Поскольку у звезды и ее спутника есть общий барицентр, то при большой массе планеты он смещается далеко от центра звезды, и светило начинает «вилять» в течение своего полета.

Нечто отдаленно похожее происходит с отцом, который во время игры крутит вокруг себя сынишку. Со стороны видно, что отец, стараясь сохранить равновесие, не держит спину прямо, а наклоняется в ту или другую сторону. Но если бы он крутил котенка, то всегда бы держал спину прямо, потому что у котенка слишком маленькая масса, которая не способна «раскачать» папу.

Впоследствии более точные измерения показали, что летящая звезда все-таки не отклоняется от прямого пути, а значит, никаких гигантских планет вокруг нее не обращается. Несколько подобных ошибок было допущено наукой на протяжении второй половины ХХ века. Однако от такого метода поисков (астрометрического) до сих пор не отказались, он совершенствуется и продолжает помогать ученым.

Наряду с астрометрическим в обсерваториях применяется и метод Доплера. Его смысл состоит в том, чтобы по изменениям в свечении обнаружить признаки «раскачивания» звезды планетами. Дело в том, что из-за планетного притяжения звезда приобретает небольшую добавочную скорость – так называемую кеплеровскую скорость. Скажем, кеплеровская скорость Солнца, приобретаемая под воздействием Юпитера, составляет 12,5 м/с, Сатурна – 2,7 м/с, Земли – 10 см/с. Кеплеровские скорости приводят к изменениям в потоке излучения, идущем от звезды, и эти изменения при соблюдении определенных условий нетрудно измерить.

Активная «охота на планеты» началась в 1987 году, но лишь в 1994 году у звезды 51Peg в созвездии Пегаса впервые удалось обнаружить не призрак, а реальную экзопланету, получившую обозначение строчной латинской буквой b. Только после тщательной проверки данных, продлившейся почти год, ученые опубликовали ошеломляющую новость.

Созвездие Пегаса и звезда 51Peg

Сомнения вызывали полученные сведения о природе планеты. Измерения четко показывали, что каждые 4,2 земных суток у звезды менялась кеплеровская скорость, причем на 60 м/с. Это говорило о том, что вокруг светила обращается массивная планета, похожая на Юпитер, но которая находится к своей звезде в 8 раз ближе, чем Меркурий к Солнцу, и совершает полный оборот на орбите за 100 часов.

Поверить в это было трудно: ведь мы привыкли к тому, что гигантские планеты удалены от Солнца, да и ближайший к нашему дневному светилу Меркурий «старается» держаться от звезды на расстоянии 58 млн км, тогда как экзопланету 51Pegb и ее звезду разделяют немногим более 7 млн км. Естественно, ученые предположили, что дело в неисправности оборудования, и решили провести повторные замеры. Но на этот раз планете расставили хитрую ловушку.

В марте 1995 года Земля вышла на такой участок орбиты, с которого не просматривалось созвездие Пегас, поскольку оно было заслонено от земного наблюдателя Солнцем. Звезда 51Peg должна была выйти из-за солнечного диска в июле того же года. Зная период обращения предполагаемой планеты, астрономы вычислили, какой будет кеплеровская скорость 51Peg в момент появления Пегаса на земном небе. Вычисления полностью совпали с реальностью. Стало быть, ученые столкнулись не с ошибкой приборов и не с пульсацией звезды, а с удивительной новой планетой.

Впоследствии астрономам, применяющим и многие другие методы изучения звезд, удалось обнаружить еще несколько необычных планет-гигантов, которые из-за близости к звезде прозвали «горячими юпитерами». Самое первое открытие экзопланеты подсказало ученым, что планетные системы не обязательно будут похожи на Солнечную. И в дальнейшем это подтвердилось. Оказалось, что планеты-гиганты обычно располагаются ближе к звезде.

Астрономов это не очень удивило. Ведь именно так ведут себя планетные луны в нашей системе. Если посмотреть на спутники Юпитера, Сатурна и прочих планет, то можно увидеть, что крупнейшие из лун всегда находятся вблизи планеты, вокруг которой обращаются. А маленькие луны располагаются в удалении. Чем дальше спутник от своей планеты, тем он мельче в размерах.

Таким образом, выяснилось, что не чужие планетарные системы являются странными, а наша старая добрая Солнечная система оказалась исключением из правил. Почему же расположение планет у нас нетипично? Никому не известно. Это – одна из самых больших тайн Вселенной.

После обнаружения экзопланеты в созвездии Пегаса поиск таких объектов значительно ускорился и открытия посыпались, точно из рога изобилия. На февраль 2012 года было открыто 693 планеты вокруг 552 звезд, причем 13 новооткрытых экзопланет были зарегистрированы в каталогах именно в феврале, а еще 6 – в январе.

При таких темпах изучения космоса у астрономов появилась возможность судить о том, насколько часто встречаются планетные системы в Галактике. Пока затруднительно сделать однозначный вывод о красных карликах и некоторых других классах звезд, потому что их крайне сложно исследовать. Но среди солнцеподобных светил классов G и F на каждые 25 звезд приходится одно светило с планетной системой.

Планетных систем известно гораздо меньше, чем звезд, обладающих планетами. Дело в том, что астрономам проще обнаружить рядом со светилом одну гигантскую экзопланету. Обнаружить сразу несколько планет непросто. Если не считать Солнечную систему, науке известно 67 планетных систем. В сорока пяти из них обнаружено только по две планеты, в двенадцати – три планеты, в пяти – четыре планеты и в трех – пять планет. Лишь две звезды достоверно обладают полноценными планетными системами из шести планет – это HD 10180 и Kepler-11. Остальные шесть сотен звезд имеют в своем сопровождении по одной экзопланете.

Жизнь вне Земли

Сразу нужно признаться, что никаких доказательств существования жизни на других планетах у астрономов нет. Более того, ложные скороспелые сенсации и ошибки прежних лет убедили в том, что жизнь представляет собой чрезвычайно редкое явление во Вселенной. И скорее всего уникальное. Тем не менее наука упорно ведет поиск миров, которые могут оказаться обитаемы. Современных знаний достаточно, чтобы предположить, какие существа могут населять ту или иную пригодную для жизни планету.

При этом астрономы обращаются за помощью к биологам, чтобы больше узнать о свойствах земных обитателей. Конечно, всегда можно предположить, что где-то далеко-далеко в Галактике встречаются организмы, полностью отличающиеся от земных: они любят холод до –200 °C, дышат чистым хлором и вместо воды пьют жидкий метан. Вот только много ли даст науке такое предположение? Неужели оно позволит нам найти заселенные планеты? Увы, нет. Выдумывать можно до бесконечности, но чем больше мы насочиняем, тем больше затрудним себе поиск.

Живые существа, обитающие на Земле, жестко зависят друг от друга. Отдельные виды действительно хорошо приспособлены к экстремальным условиям: большим давлениям, нехватке или отсутствию кислорода для дыхания, высоким температурам и т. д. Но что если изолировать этот отдельный вид от прочих организмов? Он наверняка вымрет, потому что живое поддерживает себя лишь как целое. Поэтому ученые выделяют на нашей планете особую оболочку – биосферу. Так называется всепланетная экосистема, в которой объединены сложными отношениями растения, животные и микробы. Виды объединяют пищевые отношения, отношения взаимопомощи и многие другие. Малейшие изменения в одной части биосферы рано или поздно сказываются во всех остальных ее частях. Прочная связь объединяет обитателей морских пучин, лесных дебрей, скалистых высокогорий, подземных озер. Поэтому биологи убеждены: если на планете нет биосферы – значит, нет и жизни.

Следовательно, астрономам при поиске обитаемых миров нужно ориентироваться на нашу планету. То есть искать надлежит очень плотное и вместе с тем небольшое космическое тело, укутанное кислородной атмосферой и достаточно богатое углеродом, который, как известно, является главным химическим элементом живой клетки.

В 1989 году к Юпитеру была запущена автоматическая межпланетная станция (АМС) «Галилео», которая представляла собой автономного робота, предназначенного для космических исследований в пределах Солнечной системы. Главной задачей «Галилео» было изучение Юпитера и его лун, но кроме того, аппарат выполнял на всем протяжении полета различные замеры и эксперименты, в частности, он приближался к некоторым астероидам, чтобы сфотографировать и обмерить их.

Автоматическая межпланетная станция «Галилео»

В числе таких побочных задач «Галилео» значилось изучение Земли с расстояния более чем 600 млн км. С помощью особого бортового прибора – спектрометра – станция «сфотографировала» солнечный свет, отраженный земной атмосферой. Спектрометр позволил разложить поток излучения на составные части (спектр). Точно так же любой человек для развлечения может с помощью хрустального бокала разложить солнечные лучики на разноцветную радугу. Разумеется, «Галилео» получил земной спектр не ради забавы, а с целью выявить в этом спектре следы тех газов, которые содержатся в земной атмосфере.

В земном спектре были обнаружены три характерных следа. Во-первых, признаки избытка кислорода. Если бы Земля была необитаемой, то в ее атмосфере отсутствовал бы кислород в столь больших количествах. Конечно, кислород способен рождаться во многих химических реакциях, но он непременно связывался бы минералами из горных пород, как это произошло на Марсе. Избыток кислорода в земном воздухе объясняется деятельностью растений. Как известно, зеленые растения активно вбирают из воздуха углекислый газ и выделяют кислород. Этот процесс носит название фотосинтеза. Благодаря фотосинтезу все морские и наземные животные вдоволь обеспечены кислородом для дыхания.

Во-вторых, в земной атмосфере заметны следы метана. Метан – не редкость для космоса, он встречается на многих планетах и их лунах. Однако на тех небесных телах нет столько свободного кислорода. Между тем для планеты с кислородной атмосферой метан должен представлять большую редкость. Этот газ состоит из углерода и водорода, которые в земных условиях легко связываются кислородом с образованием углекислого газа и воды. Почему же весь земной метан еще не превратился в углекислый газ и воду? Потому что у нас встречаются болотные бактерии: они-то и поставляют в атмосферу все новые и новые порции метана – совсем немного, но этого хватает, чтобы он не израсходовался полностью.

В-третьих, вода. Животные и растения по меньшей мере на 60–70 % состоят из воды, без которой не могут обходиться. Вода – это источник жизни. На планете, где нет дождей, рек и океанов, невозможно и существование каких-либо организмов. Кроме того, водяной пар помогает воздуху удерживать тепло, полученное от Солнца, что спасает Землю от остывания. То есть следы водяных паров непременно должны присутствовать в спектре обитаемой планеты.

И вместе с тем атмосфера не должна быть насыщена избыточной влагой. Если в спектре удастся обнаружить избыток воды, то это будет свидетельствовать всего лишь об открытии молодой вулканической планеты, атмосфера которой заполнена водяным паром. В верхних слоях такой атмосферы непременно окажется много кислорода, который будет образовываться из-за разрушения водяных молекул невидимым ультрафиолетовым излучением звезды. Таким образом, создастся иллюзия обитаемого мира, и только избыточность влаги будет указывать на вероятную необитаемость планеты.

В честь кого это назвали?

Кеплеровская скорость. Названа в честь Иоганна Кеплера (1571–1630), великого немецкого астронома, открывшего законы движения планет.

Метод Доплера. Назван в честь Кристиана Доплера (1803–1853), австрийского физика и астронома, обнаружившего особые изменения в лучах от движущихся светил.

Пояс Койпера. Назван в честь Джерарда Койпера (1905–1973), американского астронома, голландца по происхождению, предсказавшего существование ТНО.

«Галилео». Автоматическая межпланетная станция названа в честь Галилео Галилея (1564–1642), великого итальянского физика и астронома, впервые применившего телескоп для наблюдений за звездным небом и сделавшего множество астрономических открытий.

Самые причудливые планеты

Ледяные карлики

Одному из первооткрывателей экзопланеты 51Pegb, швейцарскому астроному Мишелю Майору, принадлежат слова: «Вселенная – это зоопарк, населенный экзотическими существами. Астрономический зверинец показывает нам творческий потенциал сил природы – сил, которые астрофизики неустанно пытаются объяснить в соответствии с теорией, экспериментом и наблюдением».

Под экзотическим населением «астрономического зверинца» ученый подразумевал разнообразные небесные объекты и в первую очередь – планеты, которые подчас весьма сильно отличаются друг от друга. Сегодня ни у кого не вызывает сомнения то, что из них наиболее многочисленны так называемые малые планеты. В одной только Солнечной системе их насчитываются тысячи и тысячи. Известно несколько групп малых планет, причем наибольшей популярностью пользуются астероиды, хотя они и не особенно многочисленны.

Астероиды (или планетоиды) представляют собой крупные тела неправильной формы, то есть не шаровидные. Настоящие планеты, в отличие от малых, обладают такой крупной массой, что под действием собственной силы тяжести принимают форму, близкую к идеальной сфере. Малые планеты такого себе позволить не могут – их масса и размеры слишком малы. По химическому составу астероиды сложены каменистым веществом или металлами. И при этом состав любого планетоида равномерен, одинаков во всех его частях. У планет состав меняется в зависимости от оболочек.

Ранее уже говорилось, что у Земли, например, есть внутри плотное ядро из железа и никеля, которое окружено расплавленной смесью из соединений кремния, образующей мантию. А снаружи земной шар окружает каменистая кора, состав и строение которой тоже меняются с глубиной. В земной коре выделяются глубочайший базальтовый слой, менее глубокий гранитный слой и лежащий на поверхности слой осадочных пород, главным образом песков и глин.

Пояс астероидов

Ни один астероид не обладает ядром или какими-нибудь слоями. Он сплошной, точно лежащий на дороге камень-валун. Таковы же, кстати, и все остальные малые планеты. Основная доля астероидов сосредоточена на расстоянии 430 млн км от Солнца, между орбитами Марса и Юпитера, где они образуют уже известный нам Пояс астероидов.

Когда-то Пояс астероидов считался скопищем обломков, оставшихся после мощнейшего взрыва неизвестной планеты. Погибшей планете даже заранее присвоили название «Фаэтон». Но сегодня можно смело сказать, что Фаэтон в действительности никогда не существовал. Все малые планеты возникли одинаково – это слипшиеся остатки газопылевого облака (туманности), из которого сложилась Солнечная система. Они захватили слишком мало газа и пыли, чтобы вырасти до размеров настоящей планеты, такой как Марс или хотя бы Меркурий.

Другое крупное скопление астероидов – «кентавры», которые начинают встречаться в пределах от 5 астрономических единиц (750 млн км) от Солнца и дальше, до орбиты Нептуна. Всего на сегодняшний день изучено примерно 6000 различных астероидов.

Гораздо больше в Солнечной системе транснептуновых объектов, которых, напомним, нередко называют «ледяными карликами». По составу они мало похожи на астероиды, поскольку сложены в основном изо льда – водяного, аммиачного, метанового и других видов льда с примесью разнообразных минералов. Иначе говоря, ледяные карлики напоминают грязный весенний снег, который вот-вот растает, но пока еще держится в укромных уголках, покрывшись мутной корочкой льда.

Название «транснептуновые» означает, что эти объекты движутся главным образом за орбитой планеты Нептун. Ледяные карлики тоже разделяются на несколько групп в зависимости от своей удаленности от Солнца. Две главные из этих групп – облако Оорта и пояс Койпера.

Облако Оорта, словно гигантская скорлупа, окружает всю Солнечную систему. Это колоссальное скопление ледяных тел, число которых трудно оценить даже приблизительно. Холодные обитатели облака представляют собой в основном кометные ядра. Больше всего кометных ядер сосредоточено на расстоянии 6 триллионов километров от центра Солнечной системы. Периодически некоторые из этих ядер приближаются к нашей звезде и тогда под действием солнечного излучения начинают испаряться, распуская пышный «хвост». Люди в таких случаях говорят, что на небе появилась новая комета. Затем кометное ядро поворачивает в сторону своего облака-«дома», утрачивая хвост и вновь превращаясь в несимпатичную ледяную глыбу.

Ученые в шутку называют облако Оорта «кометным банком»: здесь, словно в надежном банковском сейфе, хранится запас комет. Однако наряду с кометными ядрами в облаке могут встречаться и другие поразительные обитатели. Например, ледяные карлики, которых ученые ожидают встретить здесь в количестве не менее двух тысяч. Пока же известен только один ледяной карлик в облаке Оорта, который изредка выбивается оттуда и в такие моменты приближается к орбите Плутона.

Речь идет о Седне, малой планете с сильно вытянутой орбитой. Поперечник этого загадочного тела, скованного красноватым льдом, достигает величины 1400 км. Спутников Седна лишена, но они ей и не особенно нужны, если учесть, что на ее небе луна все равно не светилась бы – ведь ледяной карлик обречен на вечный бег в космическом мраке, куда почти не проникают солнечные лучи.

Даже в моменты максимального сближения с Солнцем планета удалена от нашего светила на 76 астрономических единиц, то есть на 11,4 млрд км. При максимальном удалении планета оказывается на расстоянии 139 млрд км от центра Солнечной системы. Людям мало что известно об этом обитателе галактического «зверинца». Действительно ли Седна «проживает» в облаке Оорта? Отчего лед на ее поверхности цвета крови? Это загадки. Пока лишь достоверно известно, что один год на Седне (то есть ее полный оборот вокруг Солнца) длится 12 050 земных лет.

Гораздо ближе к Земле пояс Койпера. Это скопление ледяных карликов протянулось, начиная с отметки 5 млрд км от Солнца и заканчивая отметкой 7,5 млрд км. Внутри этого широкого кольца проходят орбиты множества малых планет, из которых найдется примерно полсотни довольно крупных тел, равных земной Луне или даже превосходящих ее.

Одним из самых массивных обитателей пояса является Плутон. Он же является самым первым из открытых астрономами ледяных карликов. Впрочем, когда американский астроном Клайд Томбо впервые обнаружил Плутон в 1930 году, то научное сообщество согласилось, что перед ними новая, девятая по счету планета Солнечной системы. Исправлять ошибку, как уже говорилось, пришлось в 2006 году, когда накопилось достаточно новых данных о ледяных карликах.

В числе этих данных были ошеломляющие результаты измерений ледяного карлика, получившего название Эрида. Открытая в 2003 году, на сегодняшний день она считается крупнейшей и самой массивной из всех малых планет. Ее диаметр составляет 2326 км, тогда как Плутон, например, достигает в поперечнике 2322 км. Впрочем, эти измерения не слишком точны. Однако вычисления массы были проведены с большей точностью, в результате чего астрономы установили, что Эрида весит в 1,27 раза больше Плутона, достигая 16,7 квинтиллиона (16,7×10¹⁸) тонн (0,0028 массы Земли).

По природным условиям на поверхности Эрида сильно напоминает Плутон или Тритон (спутник Нептуна). Это очень холодный ледяной карлик, на котором стоят морозы порядка 240 °C ниже нуля. При такой низкой температуре большинство газов замерзает, потому-то равнины и скалы Эриды покрыты толстым слоем белоснежного метанового снега. Снега настолько много и он столь чист, что даже при слабом солнечном освещении ярко сияет.

Ледяной карлик Эрида

Если бы мы пролетали над белыми долинами Эриды, то временами наблюдали бы, как похожие на рыхлый творог снеговые поля сменяются сероватыми ледяными торосами, сложенными замерзшими этаном и этиленом. Время от времени снег и лед испаряются, отчего вокруг Эриды формируется слабая атмосфера, которая потом улетучивается. Мы сейчас живем в эпоху, когда процесс формирования здешней атмосферы наблюдается на его ранней стадии. Завершится этот процесс появлением у карлика более или менее толстой газовой оболочки не ранее середины XXIII века.

Географы и астрономы считают атмосферой лишь плотную газовую оболочку планеты. Но физики нередко называют так любое, даже совсем крохотное скопление газов вокруг космического тела. Такие слабенькие атмосферы имеются у Меркурия и многих планетных спутников. Похоже, что карликовые планеты (или по крайней мере некоторые из них) тоже обладают слабой атмосферой, то есть скоплением у поверхности сильно разреженных газов.

Эрида кое-чем напоминает нашу родную планету. Во-первых, ее сутки длятся 25 часов 55 минут, то есть по длительности они почти равны земным (24 часа). Во-вторых, у ледяного карлика имеется естественный спутник, открытый в 2005 году. Это крохотный астероид, находящийся на расстоянии 37 000 км от Эриды и совершающий полный оборот вокруг нее за 16 земных суток. Спутник назвали Дисномией, поскольку в древнегреческой мифологии Эрида – богиня раздора, а Дисномия – ее дочь, богиня беззакония.

Некоторые астрономы предлагали выделять в особый класс небесных тел Плутон и подобные ему по размерам небесные объекты, слишком большие для малых планет. Такие тела, как мы уже знаем, назвали «карликовыми планетами»: они отличаются от астероидов и ледяных карликов более округлой формой, так что их нетрудно перепутать с настоящими планетами. Плутон считался настоящей планетой свыше 70 лет. Поэтому неудивительно, что при будущем открытии ледяных карликов в других планетных системах астрономы будут ошибочно принимать карликовые планеты за большие (настоящие).

Таким образом, сегодня в астрономии карликовые планеты и малые планеты – это совершенно различные классы объектов.

Сейчас астрономам известны пять карликовых планет, из которых лишь одна находится в Поясе астероидов, а остальные являются ТНО. Очевидно, что если искать другие карликовые планеты в Солнечной системе, то ими тоже окажутся транснептуновые объекты.

Карликовой планетой из Пояса астероидов признается планетоид Церера, которая оказалась первой из открытых учеными карликовых планет. Ее обнаружил в 1801 году итальянский астроном Джузеппе Пьяцци, который назвал небесное тело в честь древнеримской богини плодородия, считавшейся покровительницей его родной Италии. Два столетия объект относился к астероидам, поскольку находится между орбитами Марса и Юпитера, на расстоянии 2,8 астрономической единицы от Солнца.

Современные исследования показывают, что астероиды – это уродливые, неправильной формы глыбы, тогда как Церера достаточно велика, чтобы поддерживать форму, близкую к шарообразной. Планета напоминает окаменевшее яйцо, достигающее в длину 975 километров. При таких размерах масса Цереры весьма невелика, она составляет лишь 1,3 % массы Луны. Соответственно, и сила притяжения на поверхности карликовой планеты ничтожна. Когда здесь высадятся космонавты, они почувствуют себя в 36 раз легче, чем на Земле.

Карликовые планеты и транснептуновые объекты являются одними из самых загадочных тел в Галактике по причине своих малых размеров. За этими объектами трудно следить, они почти не поддаются изучению. Помимо ничтожных размеров, есть и другая причина, по которой ученым сложно изучить мир малых планет. Эта причина – расстояние и причудливая орбита. Большие планеты по отношению друг к другу расположены кучно, их орбиты имеют почти круглую форму и лежат в одной плоскости. Орбиты малых и карликовых планет имеют форму овала (эллипса) и порой наклонены к плоскости больших планет.

Но даже если ученым удастся преодолеть это препятствие и вычислить идеально точный маршрут для автоматической станции, потребуется немалый срок, чтобы добраться до какого-нибудь из этих объектов. Большинство малых и карликовых планет удалены от нас на чудовищное расстояние. Например:

– до Цереры (расстояние 413,7 млн км) лететь 10 месяцев;

– до Плутона (5906,4 млн км) – 10 лет;

– до Эриды (10,2 млрд км) – примерно 20 лет.

Таблица 1

Некоторые малые и карликовые планеты Солнечной системы

Карликовые и малые планеты за пределами Солнечной системы и вовсе неизвестны. Каковы они там? Удобны ли они для колонизации? Пригодны ли для жизни? На эти вопросы наука пока не знает ответа, потому что легче всего обнаружить и исследовать исполинские экзопланеты.