Текст книги "Непридуманные космические истории"

О блинах и планетах

Другой повод для удивления дала природа большинства обнаруженных «Кеплером» планетарных систем. Они оказались очень плоскими – это значит, что орбиты планет в них лежат примерно в одной и той же[47]47
  Общей для данной системы. – Прим. пер.


[Закрыть] плоскости, обращенной ребром к наблюдателю – телескопу «Кеплер».

– Если мы представим себе совокупность орбит планет в звездной системе в виде блина, – объясняет Баталья, – в толщу которого укладываются все лежащие примерно в одной плоскости орбиты различных радиусов, то наша Солнечная система с характерными для нее небольшими несовпадениями этих плоскостей окажется похожей скорее на оладью. Бо́льшая часть из тех планетарных систем, которые мы наблюдаем при помощи «Кеплера», выглядят по сравнению с ней как тоненькие блинчики. Они представляют собой удивительно плоские орбитальные системы.

Сущность транзитного метода обнаружения планет такова, что с его помощью оказываются видны только те планеты, орбиты которых случайно расположены в одной плоскости с линией прямой видимости «Кеплера». При том что в большинстве найденных систем орбиты планет образуют плоскую блинообразную фигуру, «Кеплеру» удается наблюдать большее количество производящих транзитные события планет.

На этой гистограмме показано распределение количества планет по размеру для всех известных на дату 10 мая 2016 года экзопланет. Голубые части столбцов гистограммы показывают аналогичное распределение для ранее подтвержденных планет. Источник: NASA / Научно-исследовательский центр имени Эймса / В. Штенцель

– Объем наших открытий по-настоящему велик, и мы сами этому удивляемся, – говорит Натали. – Действительно, это подтверждается фактом открытия нами новой архитектуры совпадающих или копланарных плоскостей орбит.

Кладезь планет

Вдобавок к тому, что общая картина сделанных при помощи «Кеплера» открытий, несомненно, впечатляет, отдельные найденные им планеты и планетарные системы исключительно интересны и занимательны.

– Мы нашли так много интересных миров! – восклицает Баталья. – Среди своих любимых я готова провести «поименную перекличку» и показать на их примере разнообразие типов, составляющих планетное население Галактики, – и об этом разнообразии мы не подозревали до запуска «Кеплера».

Иллюстративное изображение системы Kepler-16, на котором мы видим планету Kepler-16b, обращающуюся вокруг двойной звезды. Источник: NASA / лаборатория реактивного движения Калифорнийского технологического института

В 2011 году научная команда объявила об открытии «околодвойной» или циркумбинарной планеты, то есть такой планеты, центром орбиты которой является не одиночная звезда, а пара звезд – точь-в-точь как у Татуина, родной планеты Люка Скайуокера из «Звездных войн».

– Если бы вы жили на подобной планете, то видели бы, как два солнца восходят на востоке и потом заходят за горизонт на западе, – мечтательно рассуждает Натали Баталья. – Звезды могут меняться друг с другом местами, двигаясь по небу. Размышления о таких необычных местах всегда распаляют мое воображение.

Изменения яркости свечения звезды можно интерпретировать как вибрации или осцилляции внутри нее, если использовать методику под названием астросейсмология. Картина осцилляций дает информацию о внутренней структуре звезд во многом тем же самым путем, каким сейсмологи на Земле используют данные регистрации землетрясений, чтобы «заглянуть» в земные недра. Источник: NASA / Научно-исследовательский центр имени Эймса

Кроме того, «Кеплер» обнаружил другие странные новые планеты, которые не поддаются классификации, – например, мир, покрытый кипящей водой, планета, которую рвет на части ее собственная звезда, или похожая на Нептун планета, движущаяся в тесной орбитальной паре с землеподобной планетой с твердой поверхностью.

Среди полученных «Кеплером» данных можно отыскать несколько примеров планет, центральные звезды которых очень стары – так же стары, как и сама Галактика. Астрономы используют особый метод, называемый астросейсмологией, чтобы при помощи космического телескопа «Кеплер» как бы «слушать» звезду, регистрируя циркулирующие в ней звуковые волны, чтобы определить различные параметры светила, и в том числе его возраст. Этим способом они обнаружили систему из пяти землеподобных планет возрастом 11 млрд лет, и все эти планеты оказались меньше Земли по размеру. Исследователи утверждают: это открытие говорит о том, что подобные Земле планеты формировались на протяжении большей части истории Вселенной длительностью 13,8 млрд лет, а это значит, что повышаются шансы на то, что в нашей Галактике существует древняя жизнь – а возможно, и развитая разумная жизнь.

– Это умопомрачительно интересно, – говорит Баталья, – потому что я не могу не думать о том, что могут существовать цивилизации, у которых было вдвое больше, чем у нас, времени на развитие. Какие же виды жизни могут процветать в тех мирах?

Схема со сравнением внутренних планет Солнечной системы с планетной системой Kepler-186: эта удаленная от Земли на 500 световых лет звезда из созвездия Лебедя окружена пятью планетами. Kepler-186 является красным карликом спектрального класса M, и она вполовину меньше и легче Солнца. Источник: NASA / Научно-исследовательский центр имени Эймса / Институт поиска внеземного разума (SETI) / лаборатория реактивного движения Калифорнийского технологического института

Вероятно, самым впечатляющим открытием стало обнаружение первой планеты с твердой поверхностью размером с Землю внутри обитаемой зоны центральной звезды. Несмотря на то что преждевременно говорить, является ли эта планета под названием Kepler‐186f настоящей сестрой Земли, ученые теперь вполне уверены в том, что подобные Земле планеты действительно существуют.

Сопоставление размеров планет в системе Kepler-37 с планетами Солнечной системы. Источник: NASA / Научно-исследовательский центр имени Эймса / лаборатория реактивного движения Калифорнийского технологического института

– Это был момент истины для команды проекта «Кеплер», – говорит Баркли. – Можно сказать, водораздел, после которого мы практически получили право сказать «миссия выполнена», потому что мы навсегда поменяли картину человеческого знания. Это открытие показало, что существуют и другие миры, подобные нашему.

Kepler-186f – пятая, самая далекая от светила планета, обнаруженная в системе карликовой красной звезды Kepler-186, расположенной в 490 световых годах от Земли. Планета совершает один виток по орбите вокруг звезды за 130 земных суток и находится сразу за внешним краем обитаемой зоны этой системы.

Больше прочих открытий Баркли ценит находку самой маленькой известной на данный момент экзопланеты.

– Это моя личная гордость, – хвалится он, – потому что обнаружить ее было крайне непросто. Мы нашли планету по размеру меньше Меркурия и тем самым доказали, что мы можем открывать не только эти громадные горячие Юпитеры; нам удалось заметить объект меньший, чем самые маленькие планеты в Солнечной системе. Эта находка хорошо демонстрирует многообразие далеких планетарных систем.

Kepler-37b находится на расстоянии 210 световых лет от Земли, и эта планета лишь чуть больше нашей земной Луны, ее диаметр составляет примерно треть от земного.

Каждое из этих открытий вызывало всеобщий восторг, как говорит Баркли:

– Мы собрали большую команду. Мы разработали замечательную программу регулярной работы, и она приносила невероятное количество удивительных научных плодов. А потом вдруг наш аппарат сломался.

K2

14 мая 2013 года один из силовых маховиков «Кеплера» отказал. Это функционирующие по принципу гироскопа устройства, которые удерживают космический аппарат в заданном положении и позволяют наводить телескоп очень точно в сторону требуемого центра поля зрения. Отказ вызвал большую тревогу, потому что за год до этого еще один силовой маховик «Кеплера» перестал работать. Всего на его борту стояло четыре силовых маховика, но теперь из них остались в строю только два. А такому аппарату необходимо минимум три прибора ориентации, чтобы стабилизироваться достаточно точно для охоты на экзопланеты.

– Мы уже шесть месяцев ожидали, что это, возможно, произойдет, – говорит Томас Баркли. – Было очевидно, что дни второго силового маховика сочтены. Но то, что случилось, все равно стало для нас ударом, и мы все ходили удрученными. Но мы не переставали искать, что еще можно сделать, ведь в нашем распоряжении такой замечательный космический телескоп.

Инженеры изобрели новый способ стабилизации и управления космическим телескопом. В этом методе Солнце используется как «третий маховик», и это позволило «Кеплеру» не только возобновить прерванный поиск планет, но и сделать новые открытия о природе молодых звезд и сверхновых. Источник: NASA / Научно-исследовательский центр имени Эймса / В. Штенцель

Отчасти утешало то обстоятельство, что, хотя «Кеплер» и не мог вести новые съемки, в результате его работы уже были накоплены терабайты данных для изучения и в них наверняка имелись следы присутствия новых экзопланет. Но был шанс и на то, что обсерватория «Кеплер» пригодилась бы для чего-то иного и ее новые задачи не потребовали бы такой, как прежде, точности наведения. NASA решило организовать конкурс идей путем рассмотрения оформленных технических предложений.

Тем временем инженер по имени Даг Ваймер из компании Ball Aerospace, построившей «Кеплер», занимался проблемами других спутников, у которых отказали силовые маховики. Это касалось на самом деле нескольких проектов, особенно таких космических аппаратов, которые уже отработали свой гарантийный срок.

Ваймер разработал теорию, в которой одним из действующих факторов было так называемое давление солнечного излучения. Когда Солнце освещает аппарат, в особенности когда свет падает на солнечные батареи с их большой площадью, составляющие его фотоны оказывают маленькое, но измеримое силовое воздействие, которое называется давлением излучения. Все, кто занимается управлением полетами спутников и других космических аппаратов, должны учитывать эту силу при вычислении траекторий полета, потому что она действительно влияет на движение аппаратов. Действие этой силы лежит в основе концепции использования солнечного паруса в качестве движителя для небольших искусственных космических тел.

Идея Ваймера заключалась в том, чтобы сориентировать «Кеплер» так, чтобы давление излучения равномерно распределялось бы по поверхности панелей солнечных батарей и работало бы вместо третьего силового маховика. Таким образом, одна из тех сил, которым противостоит система ориентации при нормальной работе космического аппарата, теперь помогала стабилизировать аппарат.

Группа инженеров из Ball Aerospace проверила идею на практике, и она оказалась работающей.

– Это было блистательное решение! – восклицает Уэсли Трауб. – Я должен заявить, что как руководитель научных работ по программе исследования экзопланет я целыми днями толковал с умнейшими инженерами в мире, но никому другому такая идея в голову не пришла. Это было прямо как в книжке или в кино, когда внезапно случается чудо и все оказываются спасены.

Несмотря на то что телескоп теперь не может нацеливаться так же точно, как раньше, стабильность его ориентации близка к требуемой. Платой за продолжение работы стала потеря возможности постоянно наблюдать за одним и тем же участком неба. Вместо этого околосолнечную орбиту «Кеплера» разделили на отдельные «сезоны», в течение которых он наблюдает определенный участок небесной сферы 83 дня, а затем, когда телескоп улетит достаточно далеко вдоль своего орбитального пути вокруг Солнца и направление давления солнечного света на него изменится, космический аппарат надо повернуть в другое положение, чтобы восстановить равновесие. Затем следующие 83 дня он наблюдает новый участок неба.

Различные расположенные вдоль эклиптики цели наблюдений, смена которых происходит каждые 83 дня во время работы по программе K2. Источник: NASA / Научно-исследовательский центр имени Эймса

– Это оказалось фантастически прекрасным решением – первоклассная идея об уравновешивании спутника по отношению к давлению солнечного света, чтобы обеспечить его стабилизацию, – говорит Баркли, – и она сработала даже лучше, чем мы ожидали.

График показывает изменение яркости сверхновой по отношению к светимости Солнца по мере развития катастрофического события. NASA / Научно-исследовательский центр имени Эймса / В. Штенцель

Но «Кеплер» больше не мог наблюдать за той областью неба, которую он изучал раньше, и поэтому родился новый этап проекта, обозначенный K2.

Проект «Кеплер» имел очень узконаправленную научную специфику, но K2 – это уже «совсем другая история», утверждает Баркли.

– Мы не просто используем старый «Кеплер» с чуть сбитым прицелом, мы ведем совершенно иной проект.

Программой K2 занимаются ученые в нескольких странах мира, и она является одним из немногих проектов NASA, для которых не требуется четкая постановка научной задачи. Поскольку программа управляется коллективно, совет ученых решает, как именно будет использоваться космический телескоп, делая выбор из определенного количества поданных заявок. Эти предложения формируются исходя из того, какой именно участок неба будет в поле зрения «Кеплера» в течение предстоящего 83-дневного наблюдательного сезона.

– Мы выполняем увлекательные, крайне продуктивные исследования, – говорит Баркли, который теперь возглавляет центр по обслуживанию сторонних наблюдателей по программе K2 в центре имени Эймса. – На такие исследования «Кеплер» изначально не был рассчитан. Мы ищем все что угодно – от гигантских черных дыр до сверхновых в далеких галактиках. Каждый раз, когда мы проводим конкурс предложений, наш наблюдательный кругозор делается все шире и шире.

Сверхновые – это невероятной мощи взрывы массивных звезд; никто не знает заранее, когда такое событие может случиться. Так как в программе K2 проводятся наблюдения больших участков неба, в течение 83 дней в пределах этого участка постоянно отслеживаются возможные вспышки сверхновых.

– Примерно одна сверхновая раз в сто лет взрывается в одной галактике, – рассказывает Томас, – поэтому, если вы смотрите на 10 000 галактик одновременно, вам повезет увидеть достаточное количество взрывающихся сверхновых.

И вот в марте 2016 года команда ученых проекта «Кеплер» объявила, что им впервые в мире удалось заснять яркую вспышку, отмечающую начальный момент взрыва сверхновой – это событие также называют «выход ударной волны», – когда поверхность звезды разрушается под действием взрыва. Выход ударной волны продолжается всего лишь около двадцати минут, и только теперь астрономам удалось увидеть, что происходит, когда звезда взрывается как сверхновая. До этого момента такие наблюдения не проводились; следя за последующим развитием взрыва, ученые получают много информации об этой космической феерии. Впервые наблюдение такого типа проводилось во время действия основной программы проекта «Кеплер», как говорит Баркли.

– «Кеплер» приоткрыл для нас дверь, за которой ждали наблюдения этих зрелищных явлений, а программа K2 широко ее распахнула, предоставив нам возможность наблюдать их десятками, и эти результаты – интригующее вступление к тому, чего еще можно ждать от K2!

Скриншот из веб-программы «Planet Hunters» (англ. «Охотники на планеты». – Прим. пер.). Участники проекта «Planet Hunters» занимаются сортировкой данных наблюдаемой яркости звезд в форме графиков яркости, отложенных по времени (также известных как кривые блеска), и выделяют различные типы переменности звезд. В значительной мере переменность (на временных масштабах от часов до дней) может быть вызвана появлением на звезде пятен или пульсациями различных типов переменных звезд. Помощь со стороны участников «Planet Hunters» в сортировке семейств сходных кривых блеска является частью важного научного исследования. Источник: NASA / Научно-исследовательский центр имени Эймса / веб-ресурс Zoouniverse

Другие соперничающие предложения заключаются в программах наблюдения планет Солнечной системы, поскольку они теперь попадают в поле зрения телескопа при работе по программе K2. Тем не менее экзопланетам по-прежнему посвящена значительная часть проекта.

С момента запуска «Кеплера» в 2009 году 21 планета размером, не превышающим двойной диаметр Земли, была обнаружена в обитаемых зонах различных звезд. Оранжевые сферы на схеме обозначают девять свежеподтвержденных планет, о которых было объявлено 10 мая 2016 года. Голубые диски представляют 12 ранее известных планет. Расположение всех планет на графике дано по координатам: температура центральной звезды (вертикаль) и количество энергии, получаемой планетой от звезды. Показанные размеры экзопланет демонстрируют их размеры по отношению друг к другу. Значки Земли, Венеры и Марса помещены на эту диаграмму для сравнения. Светло-зеленая и темно-зеленая область показывают обитаемую область по консервативной и оптимистичной оценке соответственно. Источник: NASA / Научно-исследовательский центр имени Эймса / Н. Баталья и В. Штенцель

– Мы по-прежнему остаемся действующим «генератором экзопланет», – говорит Баркли. – Многие ученые перешли с «Кеплера» на K2, так что в нашем распоряжении готовое сообщество экспертов по экзопланетологии, которые могут быстро оценить новые данные. Мы отдаем предпочтение звездам, которые ярче и ближе расположены к нам – происходящее вокруг таких звезд легче понять и пронаблюдать с Земли. Мы стремимся отыскать самые лучшие и интересные планетарные системы.

Есть надежда, что программа K2 продолжится и в течение 2017 года. Существует ограничение по количеству оставшегося топлива в реактивных двигателях ориентации, после исчерпания которого аппарат не получится удерживать в нужном положении.

– Не так-то просто понять, сколько именно топлива у нас осталось, – объясняет Томас, – и на это есть две причины. Первая заключается в том, что мы измеряем давление в баке, а не на выходе реактивного сопла, а вторая та, что мы не знаем, получится ли у нас полностью израсходовать запас топлива в баке, или же какая-то часть топлива останется внутри. Так что оценить, как долго еще мы сможем работать, можно лишь с определенной долей дара пророчества.

Но «Кеплер» еще, быть может, удивит нас, потому что на его счету уже есть невероятная история преодоления трудностей.

– Мы прожили удивительные, нереальные события вместе с маленькой группой коллег, которые не были готовы сдаться и признать, что проект окончен, и вернули наш прибор в строй, – говорит Баркли. – Вместо того чтобы сложить руки, они создали фантастическую научную машину, которая неустанно обеспечивает данными все научное сообщество, чтобы ученые могли совершать новые удивительные открытия.

Добровольцы – охотники на планеты

Не только астрономы могут заниматься поиском новых планет. Это можете делать и вы.

Общественный научный проект под названием Planet Hunters дает возможность любому помочь ученым из команды проекта «Кеплер» прочесывать данные и искать признаки наличия экзопланет.

– Я думаю, это крайне важная инициатива, – комментирует Натали Баталья, – как с точки зрения команды «Кеплера», так и для тех, кто принимает в ней участие. Это дает возможность людям попробовать на практике научную деятельность, а также внести реальный вклад своими собственными открытиями. В Planet Hunters заложен большой потенциал совершения ценных открытий, впрочем, как и в другие общественные научные проекты.

Поскольку наблюдения «Кеплера» сделали доступным огромный объем данных, астрономы полагаются на компьютеры, которые помогают им сортировать эти данные и искать возможных планетных кандидатов. Но мозг человека в действительности работает лучше, чем компьютер, когда требуется выявить странную или необычную последовательность, которая может быть признаком совершающей транзит планеты. Чтобы принять участие в таком поиске, от вас не требуется быть экспертом в астрономии или планетологии, и вебсайт Planet Hunters (www.planethunters.org) оснащен простой навигацией и интерактивными учебными курсами.

На данный момент Planet Hunters действует успешно, и участники уже сделали несколько открытий, в том числе даже отыскали первую планету, обращающуюся вокруг четырех солнц сразу! Двое добровольцев-исследователей, Кайан Джек и Деррил Лакорс, получили специальную награду от Американского астрономического общества за свой вклад в изучение экзопланет.

– Невозможно преувеличить, насколько важно давать простым людям и особенно молодежи почувствовать то волнение, которое переживаешь, совершая научное открытие, – сказала Баталья.