Loading Posts...

Планета ближайшей звезды

Итак, сначала давайте рассмотрим близлежащие звезды. Наша планетная система очень велика, но другие звезды несравнимо дальше, чем любые принадлежащие ей объекты. Чтобы представить себе, насколько дальше, предлагаю выполнить небольшое упражнение. Представьте, что перед вами вся Солнечная система: тут и газовые гиганты, располагающиеся во внешней ее части, и небольшие каменные планеты внутри орбиты Юпитера… Представьте себе все это как круглую пиццу. Периметр пиццы — это орбита Нептуна. Такое сравнение позволяет понять, насколько огромно пространство, разделяющее звезды — так называемая «межзвездная пустота». Если бы Солнечная Система имела диаметр 25 см, то ближайшая звезда лежала бы в трех километрах от нее. Поэтому в следующий раз, наслаждаясь пиццей, попробуйте представить, где была бы соседняя звезда, если бы вы ели Солнечную систему.

Я использовал этот пример, чтобы продемонстрировать, насколько невообразимо огромны межзвездные расстояния. Помните о том, что космическому аппарату Voyager 1 потребовалось 35 лет на то, чтобы достичь границ Солнечной Системы — а на дорогу до ближайшей звезды у него уйдет 30-40 тысяч лет.

Итак, мы выяснили, где находится система α Центавра. Теперь познакомимся с другими соседними звездами — группой, которую ученые называют «ближайшим окружением Солнца». В нее входят объекты, расположенные на расстоянии до 10 парсек (32,6 световых лет). К «ближайшему окружению» принадлежит сравнительно немного больших и ярких светил — таких, как Вега — и звезд поменьше, наподобие нашего Солнца. Кроме них, группа включает большое количество маленьких звезд, называемых красными карликами. Проксима Центавра относится именно к такому классу.

Стоит отметить, что Солнце — незаурядная звезда: оно намного массивнее красных карликов, представляющих собой большинство «звездного населения». Объекты с массой, равной солнечной, или более тяжелые составляют около 20% от всего количества звезд во Вселенной, в то время как основная их часть — оранжевые и красные карлики.

Следующий масштаб, который мы рассмотрим — окрестности Солнца в пределах 25 парсек, или около 80 световых лет. По-прежнему можно отметить, что большинство звезд здесь — красные карлики, а количество больших и ярких светил невелико.

80 или 100 световых лет кажутся огромными расстояниями, но они блекнут в масштабах Галактики: наше окружение — лишь мелкое пятнышко в структуре протяженностью 100 тыс. световых лет. Таким образом, вполне объяснимо, что в первую очередь мы стремимся найти землеподобные планеты у соседних звезд. Наши технологии пока не позволяют осуществлять межзвездные перелеты, но не исключено, что однажды такая возможность появится. Итак, ход нашей мысли опирается на несколько исходных фактов. Во-первых, большинство звезд во Вселенной — красные карлики. Это утверждение актуально и для ближайшего окружения Солнца — в этом плане наш регион вполне зауряден. Таким образом, логично ожидать, что большинство экзопланет будет обнаружено вблизи светил именно такого типа.

Поиск планет на орбитах вокруг других звезд — весьма нелегкая задача. Рассмотреть планетную систему на фоне сияния звезды очень сложно: на каждый фотон, частицу света, испускаемую планетой, приходится миллиард фотонов, испускаемых центральным светилом. Такая «засветка» делает практически невозможным обнаружение планет методом прямого наблюдения даже у самых близких звезд. Как же тогда их находят?

Есть несколько способов, среди которых следует выделить два основных. Первый называется метод транзитов. Он заключается в том, чтобы засечь периодическое ослабление блеска звезды, обусловленное прохождением планеты по ее диску. При определенной ориентации орбиты спутника в течение каждого периода обращения он частично заслоняет звезду от наблюдателей. Таким образом, ее видимая яркость немного снижается: тело размером с Юпитер способно «приглушить» свет материнского светила на величину порядка 1%. Затмение будет происходить каждый раз при прохождении планетой определенного отрезка орбиты; соответственно размер планеты можно определить по тому, насколько сильно «тускнеет» звезда.

Обычно с помощью транзитного метода обнаруживают планеты, обращающиеся вокруг удаленных звезд. Чтобы понять, почему это именно так, рассмотрим пример с миссией Kepler. Этот космический аппарат предназначен для изучения объектов, не принадлежащих к ближайшему окружению Солнца, а расположенных на расстоянии до 3 тыс. световых лет. Почему же он нацелен так далеко, когда поблизости есть множество соседних звезд, у которых NASA могла бы найти новые планеты и однажды водрузить там свой флаг? На то есть свои причины.

Читать:  Океан под «сердцем» Плутона

Для успешного обнаружения экзопланет поиск стоит вести в тех местах, где их ожидаемое количество достаточно велико. Только в 1-2% случаев плоскость планетной орбиты лежит настолько близко к лучу зрения, что позволяет обнаружить спутник звезды. В остальных случаях угол наклона будет таким, что планета для земных наблюдателей никогда не попадет на звездный диск, и соответственно заметить ее не удастся. Если мы ограничимся изучением только ближайшего окружения Солнца, в котором насчитывается около 200 звезд, то найдем этим методом всего 6-7 планет.

В рамках проекта Kepler уже изучено более 100 тыс. звезд. При вероятности обнаружения в 2% число экзопланет, которые мог найти этот телескоп, составляет около 2200. Настоящим сюрпризом стало то, что на самом деле он выявил более 4 тыс. случаев их возможного существования. Действительно ли у всех «подозрительных» звезд есть планеты, еще предстоит выяснить, но обнаружение такого количества «кандидатов» очень удивило ученых.

На основании результатов исследования была составлена схема, дающая представление об основных характеристиках планет — размерах и периодах обращения. Выяснилось, что всего 10-15% объектов по диаметру сравнимы с Юпитером. Размеры же большинства экзопланет находятся в промежутке между диаметрами Земли и Нептуна, а их орбиты пролегают близко к материнской звезде.3 Такой результат стал еще одной неожиданностью, сделавшей миссию Kepler поистине удивительной и революционной. Тем не менее, этот инструмент обнаружил лишь несколько планет, которые можно было бы назвать аналогами Земли, причем оснований это утверждать наверняка еще недостаточно. Подводя итог вышесказанному, можно вывести второй исходный факт: большинство звезд имеет планеты небольшого размера с коротким периодом обращения.

Вернемся к методам обнаружения экзопланет. Второй из них (исторически он был первым) получил название метода лучевых скоростей. Используя его, мы по-прежнему не можем напрямую наблюдать планету, но имеем возможность заметить смещение центральной звезды, связанное с гравитационным воздействием ее спутника.

По сути, вращение планеты и звезды происходит вокруг общего центра масс, в результате чего звезда тоже периодически отклоняется от среднего положения. Когда в процессе такого отклонения она приближается к нам, мы можем отметить смещение спектральных линий в ее излучении в сторону синего цвета, а когда удаляется — наоборот, в сторону красного. Такое смещение называется эффектом Доплера. По тому же принципу звук от приближающегося источника кажется выше, а от удаляющегося — ниже. Из-за удаления источника от наблюдателя звуковая или световая волна растягивается и несет меньше энергии, чем при взаимном приближении. В фотонах синего света энергии больше, чем в красных, и соответствующие изменения в спектре излучения звезды говорят о ее движении вперед-назад.

Однако на деле задача определения скорости звезд совсем не проста. Для получения точности до метра в секунду (что сопоставимо со скоростью ходьбы человека) используются спектральные линии излучения и поглощения, характерные для различных элементов, присутствующих в составе звезды: натрия, кальция и т.д. Результатами наблюдений становятся графики, отображающие изменения лучевой скорости объекта. Если скорость меняется — очевидно, существует нечто, ответственное за это изменение, а если такие перемены обладают четкой периодичностью, можно сделать вывод, что именно вращение планеты по орбите заставляет светило менять свою лучевую скорость.

С помощью эффекта Доплера было сделано открытие первой экзопланеты, принадлежащей к классу так называемых «горячих юпитеров», возле солнцеподобной звезды. В 1995 г. Мишель Майор и Дидье Кело (Michel Mayor, Didier Queloz) обнаружили спутник звезды 51 Пегаса с периодом обращения 4,2 дня. В следующем году американские ученые объявили об открытии еще нескольких экзопланет с помощью того же метода, а далее количество найденных таким способом миров постепенно росло с каждым годом по мере прогресса технологии. Несмотря на то, что после 2009 г. рост практически прекратился, мы по-прежнему периодически используем метод лучевых скоростей для поисков новых объектов: в частности, в 2016 г. с его помощью была открыта Proxima b — планета, обладающая минимальной массой из всех обнаруженных этим методом.

Читать:  Следы атомной войны на Марсе

Причиной того, что рост количества новых открытий, сделанных этим методом, сильно замедлился, стало отсутствие дальнейшего совершенствования инструментов: если в начале 2000-х годов активно создавались новые приборы, то после 2009 г. мы лишь продолжали использовать уже существующие. Это привело к снижению темпов развития технологии, однако улучшение показателей точности и чувствительности оборудования продолжается и сейчас. В частности, это необходимо для обнаружения небольших планет, и здесь маленькие звезды представляют для человечества больший интерес, чем массивные солнцеподобные светила.

В первую очередь интерес обусловлен тем, что изучать планетные системы звезд небольшой массы различными методами проще: в таких системах влияние планет на звезду в 50-100 раз заметнее.

Вторым фактором является то, что «зона жизни» у более легких (и соответственно — более холодных) звезд располагается ближе к центральному телу. Это означает, что орбитальные периоды планет, находящихся в этой зоне, будут небольшими, и их, соответственно, легче заметить по многократным периодическим изменениям блеска в течение, скажем, года наблюдений. Если период обращения экзопланеты равен земному году, или 15 годам, вам придется наблюдать за звездой намного дольше, чтобы выявить признаки наличия спутника. Таким образом, очевидно, что процесс поиска планет у красных карликов связан с меньшими сложностями. Это — третий исходный факт: обнаружить планеты на орбитах вокруг таких карликов намного проще.

Принимая во внимание все три упомянутых факта, представляется наиболее обоснованным искать экзопланеты именно в системах небольших звезд. Так мы и решили поступить, и начали с ближайших окрестностей Солнца. В то время как миссия Kepler искала планеты у далеких светил, мы обратили внимание на нашу непосредственную соседку — Проксиму Центравра. В этом и заключалась суть проекта «Бледная красная точка» (Pale Red Dot). Параллельно с поиском была запущена общественная кампания, за ходом которой, возможно, кто-нибудь из вас следил. Мы не знали, удастся ли нам обнаружить то, что мы ищем, но, тем не менее, приняли решение информировать общественность о наших успехах.

В течение двух месяцев подряд мы наблюдали Проксиму Центавра каждую ночь по 20 минут в надежде обнаружить смещение спектральных линий. Мы искали регулярно повторяющиеся изменения лучевой скорости, и вскоре у нас появились основания подозревать, что наша цель достигнута.

Параллельно к наблюдениям подключались малые 40-сантиметровые телескопы; кроме того, в этом году мы начали кампанию для привлечения астрономов-любителей к поискам планет у еще большего количества звезд.

В результате наших исследований мы смогли составить график, подтверждающий соответствие между наблюдательными и расчетными данными. На нем четко прослеживаются цикличные изменения лучевой скорости звезды. Стоит упомянуть, что еще до 2016 г. появились данные, которые позволяли предположить, что в изменениях присутствует регулярность с периодом в 11,2 суток. Теперь же, после проведения более тщательных наблюдений, полученные результаты были надлежащим образом проверены, и обнаруженная тенденция получила подтверждение. Сигналы, замеченные ранее, совпали с нашими наблюдениями в течение двух месяцев — звезда действительно двигалась.

Тем не менее, предстояло убедиться в том, что за это движение не ответственны процессы в самой Проксиме. Звезды постоянно претерпевают изменения, поэтому непросто наверняка сказать, действительно ли то, что мы видим — результат наличия планеты. Чтобы исключить ошибку, используются дополнительные наблюдения с помощью меньших телескопов. На их основании составляется график, отображающий выбросы протуберанцев.

На поверхности звезды формируется рябь, и периодически происходят вспышки с выбросом звездного вещества. Благодаря таким вспышкам на 3-4 часа она становится на 10-20% ярче. При обработке информации стало очевидно, что эти процессы не могут объяснить полученные данные, и наблюдаемые изменения — признак наличия планеты на орбите вокруг Проксимы.

Вскоре после открытия мы были готовы объявить о нем. Особенно интересно то, что, помимо самого факта наличия планеты, удивительным оказалось ее расположение в так называемой «зоне жизни». У столь тусклых звезд эта зона располагается очень близко к ним: светимость Проксимы составляет 1/2500 долю солнечной, соответственно, несмотря на то, что планета находится ближе к своей звезде, чем Меркурий к Солнцу, она как раз попадает в «зону жизни» Проксимы. Можно сказать, что к открытию привело следование трем ранее упомянутым исходным фактам.

Читать:  Тайна девятой планеты

В течение следующих лет мы планируем изучить систему на предмет транзита планеты по диску звезды. Пока сложно сказать, насколько реально наблюдать это явление. Если нам повезет его увидеть, мы сможем получить более детальную информацию о планете. По линиям поглощения света с определенной длиной волны можно будет установить, имеются ли в составе ее атмосферы такие вещества, как кислород или водяной пар.

Даже если в случае с Proxima b сделать этого не удастся, планируется провести аналогичные исследования нескольких других экзопланет размером с Землю, обращающихся по орбитам вокруг близлежащих красных карликов. Можно с уверенностью сказать, что в ближайшем будущем мы непременно увидим результаты этих исследований (поскольку я лично знаком с учеными, работающими в данном направлении).

Как же будет развиваться изучение экзопланет в дальнейшем? Ожидается, что в ближайшие 5-10 лет появятся достаточно совершенные наземные обсерватории с адаптивной оптикой нового поколения или космические телескопы, способные выделить те самые редкие исходящие от планет фотоны среди миллиардов фотонов, порожденных их материнскими звездами.

В частности, большие надежды возлагаются на проектируемый Европейский чрезвычайно большой телескоп (E-ELT) — инструмент будущего, сооружение которого интригует меня сильнее всего. Кроме того, многие эксперты предсказывают запуск в течение уже этого столетия мини-аппаратов — таких, как миниатюрные зонды, предлагаемые проектом Breakthrough Starshot. В данный момент проект находится на стадии изучения его концепции. Предполагается выведение на орбиту небольших аппаратов весом всего в несколько грамм с последующим разгоном их с помощью сфокусированных лучей наземных лазеров до 20% скорости света, что позволит им достичь системы α Центавра уже через 20 лет. Для реализации этого проекта требуются серьезные средства, и в него уже сделаны значительные вложения. Конечно, после достижения скорости 60 тыс. км/с возможности замедлить движение аппаратов не будет: преодолев межзвездное пространство, они смогут исследовать планеты системы на протяжении всего нескольких часов. Но это пока лишь планы, которые, возможно, станут реальностью в ближайшие 50 лет.

Напоследок нельзя обойти стороной интересующий всех вопрос: если мы достаточно тщательно изучим планету Проксимы — обнаружим ли мы на ней жизнь? Здесь есть одна загвоздка. Если разумная жизнь — достаточно распространенное явление, чтобы найти ее в пределах соседних планетных систем, то Галактика должна кишеть сигналами межзвездных сообщений развитых цивилизаций. Однако существует так называемая проблема SETI: описанная картина плохо согласуется с реальным отсутствием таких сигналов. Нам известно приблизительное количество звезд, мы можем подсчитать, у скольких из них есть планеты в «зоне обитаемости». Если предположить, что в случае наличия жизни она рано или поздно разовьется в цивилизацию наподобие нашей, расчеты утверждают, что мы должны получать сигналы от как минимум одной внеземной цивилизации каждый год. Очевидно, этого не происходит. Во всяком случае, по официальной версии.

Вопрос состоит в следующем: если возникновение и развитие жизни столь обыденно — почему никто не пытается связаться с нами? Может ли быть такое, что цивилизации, существовавшие на планетах ближайших звезд, давно погибли?

В любом случае, ответы на эти вопросы дадут дальнейшие исследования. Это лишь начало пути: мы обнаружили планету, но огромное их количество остается незамеченным. Наш новый проект называется «Красные точки» (Red Dots), и, возможно, кто-нибудь из вас захочет принять в нем участие в качестве полупрофессионального астронома. Проект пока только зарождается: нам потребуется не один месяц, чтобы проработать все аспекты и начать исследования. В наших планах — наблюдения с июня по сентябрь с целью поиска других планет у Проксимы, а также у звезды Барнарда и еще нескольких красных карликов. Нас интересуют изменения в их движении и вращении, а также активность этих звезд — выбросы их вещества и вспышки светимости. Не сомневаюсь, что нас ожидает множество удивительных открытий!

Подписывайтесь на наши каналы в Яндекс Дзен и Телеграмм
Подписаться
Уведомление о
guest
0 Комментарий
Inline Feedbacks
View all comments
Loading Posts...