Экзопланеты
Борис Штерн
«Троицкий вариант» №5(49) и №7(51)
I. Современные факты
Миры вне Солнечной системы издавна были одной из областей естествознания, которые в наибольшей степени волнуют широкую публику. Если бы этого интереса не было, человеческий род не стоил бы ни гроша: что может быть естественней, чем попытки понять, уникален наш мир или нет, попытки представить или даже найти другие обитаемые миры.
О том, как реально найти планеты у других звезд (экзопланеты), думали еще в XIX в., тогда же появились первые заявки на открытия, которые не подтвердились. Было немало ошибочных заявок и в XX в. Первое наблюдение экзопланеты, которое подтвердилось, было сделано в 1988 г. канадскими астрономами (звезда у Цефея). Однако оно было на грани чувствительности метода, в открытие не верили. Наличие планеты у Цефея подтвердилось лишь в 2002 г., когда открытие экзопланет стало рутинным делом.
В 1992 г. надежно зарегистрировали планетную систему у пульсара. Это гораздо легче, чем найти планету у нормальной звезды: пульсар излучает строго периодические всплески радиоизлучения. Если скорость пульсара по лучу зрения (по направлению к нам) изменилась, фаза импульсов начнет смещаться. При этом можно отлавливать изменения скорости в десятки сантиметров в секунду. Далее, если планет несколько, эти перемещения остается разложить на сумму кеплеровских орбит. Однако планеты у пульсара — не нормальные планеты.
Пульсар — нейтронная звезда, образовавшаяся при взрыве сверхновой. Нормальная планетная система при взрыве разрушается. Эти планеты образовались вокруг нейтронной звезды уже после взрыва — из части выброшенного вещества. Так что они — нечто совершенно экзотическое, не имеющее никакого отношения к вопросу о других мирах, пригодных для обитания.
Прорыв в поиске экзопланет произошел в 1995 г. Сначала расскажем о методе, с помощью которого был совершен прорыв и который по сей день является основным в поиске планет у других звезд. Как и в случае с «пульсарными» планетами, он основан на измерении скорости по лучу зрения.
Планета и звезда вращаются вокруг общего центра тяжести. Солнце под влиянием всех планет описывает сложную траекторию, но главный элемент этой траектории — эллипс (почти круг) от тяготения Юпитера, скорость движения Солнца по этому кругу 12 м/с. Нельзя ли измерить эту скорость благодаря доплеровскому смещению спектра звезды: в случае Юпитера — на одну тридцатимиллионную длины волны. Проблема в том, что в случае с обычной звездой нет идеальных частот, как в случае пульсара. Есть спектральные линии поглощения света в звездной атмосфере. Но они довольно широкие. Звезда вращается, ее верхние слои и атмосфера в движении. А главное — все атомы хаотически движутся со скоростями многие километры в секунду, поскольку атмосфера горячая. А надо почувствовать изменение средней скорости атмосферы звезды на метры в секунду. То есть вылавливать смещения спектра меньше, чем на одну тысячную ширины линий и одну стомиллионную длины волны! И это делается!
Найти смещения спектра на одну стомиллионную «в лоб» — все равно, что измерить микронные смещения рулеткой стометровой длины. Нужна хитрость. Хитрость основана на том, что можно очень хорошо измерять искажения формы спектра, гораздо лучше, чем смещения. А чтобы смещения спектра искажали его форму, свет звезды пропускают через газ с сильно изрезанным спектром, например через пары йода. В спектрометр попадает суперпозиция спектров звезды и йода. Первый гуляет туда-сюда, второй стоит на месте и не меняется: температура паров йода поддерживается постоянной. Форма суперпозиции сильнее всего меняется там, где крутой склон линии звезды накладывается на крутой склон линии йода. Изрезанность обоих спектров гарантирует, что таких совпадений будет много и даже ничтожные смещения дадут измеримый эффект. Но это еще не все.
Движется не только звезда, движется и наблюдатель, притом с гораздо большими ускорениями, поскольку сидит на более легком небесном теле. Из лучевой скорости звезды приходится вычитать движение Земли вокруг Солнца, возмущаемое Луной и всеми планетами Солнечной системы, а также суточное вращение Земли. Таким образом достигается точность около метра в секунду. Такова скорость человека, идущего прогулочным шагом. Напомним, это скорость бурлящей горячей звезды, измеренная с несущейся по сложной траектории с космической скоростью планеты. Кстати, для этих измерений не нужны космические или даже рекордные наземные телескопы.
К 1995 г. достигнутая точность измерения лучевой скорости звезд была существенно ниже — 10–15 м/с. Этого было недостаточно, чтобы уверенно рассчитывать на быстрый успех: напомним, скорость движения Солнца вокруг общего центра тяжести с Юпитером — 12 м/с. Но действительность преподнесла подарок.
К 1995 г. в поиске экзопланет лидировали две конкурирующие группы: Мишель Майор, Дидье Келос (Женевский университет) и Джеф Марси, Пол Батлер (Университет Беркли, США). Первыми оказались швейцарцы. Историю открытия, излагаемую ниже, я почерпнул в основном из доклада Джефа Марси. К осени 1995 г. обе группы имели работающую методику и вели систематический поиск. По словам Марси, их точность была лучше: именно они придумали ячейку с парами йода. Швейцарцы, впрочем, использовали похожую методику. Как бы то ни было, 6 октября швейцарцы увидели периодические колебания лучевой скорости звезды 51 Пегаса, причем с огромной амплитудой — 60 м/с и очень коротким периодом — 4,2 дня. Такого никто не ожидал! Джеф Марси утверждает, что им просто не повезло: в каталоге, которым они пользовались, 51 Пегаса ошибочно значилась, как вспыхивающая звезда, и они исключили ее из списка целей. Вероятно, это был действительно предмет везения, поскольку уже через 2 недели Марси с Батлером подтвердили открытие, причем с лучшей точностью.
Но общественность поверила в открытие далеко не сразу. Уж очень неожиданным был результат. Он означал, что вокруг звезды, похожей на Солнце, на расстоянии, в 20 раз ближе, чем Земля к Солнцу, вращается огромная планета, сравнимая по массе с Юпитером. Оттуда там взяться Юпитеру! Ведь звезда на таком расстоянии от себя испаряет всю протопланетную пыль, и там просто ничего не может образоваться! Многие выдвинули предположение, что это — «дыхание» звезды, она сжимается и расширяется с периодом 4,2 дня. Против этого были выдвинуты свои доводы. Споры были жаркими и продолжались недолго. Появились новые открытия, перешедшие вскоре в разряд серийных. Разнообразие быстро росло, и вскоре пришла уверенность в том, что колебания лучевой скорости вызваны именно планетами... По словам того же Марси, когда видишь синусоиду — всегда остаются какие-то сомнения, может, действительно звезда дышит. Но когда они обнаружили асимметричную кривую, которая прекрасно подгонялась движением по сильно вытянутой кеплеровской орбите, все сомнения отпали.
Быстро выяснилось, что большие планеты на маленьких орбитах очень распространены. Их прозвали «горячими юпитерами» за высокую равновесную температуру атмосферы. Среди открытых экзопланет они составляют не менее четверти. Однако их легче всего находить, поэтому реальная доля горячих юпитеров должна быть значительно меньше; по оценкам, они есть у 1–1,5% звезд, подобных Солнцу. Еще один неожиданный факт — много планет с сильно вытянутыми орбитами. Это тоже плохо согласуется как с тем, что мы видим у себя (все орбиты близки к круговым), так и с бытовавшими представлениями об образовании планетных систем.
На сегодняшний день обнаружено 429 экзопланет. Большинство из них найдено спектрометрическим методом, описанным выше. Следующий по урожайности метод называется «транзитная фотометрия». Орбиты некоторых планет могут проходить через диск звезды, если смотреть с Земли. При этом яркость звезды чуть-чуть падает, что вполне поддается измерению. Недостаток метода в том, что вероятность проекции орбиты на звезду мала — тем меньше, чем больше орбита. Зато чувствительность метода выше: прохождение Земли по диску Солнца может быть уверенно зафиксировано с расстояния в десятки парсек. Кроме того, измеряется размер планеты, можно установить наличие колец и крупных спутников, даже получить спектральные линии атмосферы планеты. Сейчас по транзитам найдено 98 планет. Запущено два специализированных спутника для поиска транзитов. Первый — европейский COROT (диаметр зеркала — 30 см, запущен 27 декабря 2006 г.), второй — «Кеплер», запущен NASA (диаметр зеркала — 95 см, запущен 7 марта 2009 г.). Стратегия поиска — смотреть в одну область неба, наблюдая порядка 100 тыс. звезд одновременно. К настоящему моменту COROТ нашел около 10 новых экзопланет, Кеплер — 5. По прикидкам, Кеплер должен обнаружить десятки планет земного типа, но для этого требуется время.
Есть еще методы, менее урожайные, но имеющие свои преимущества. Прежде всего это прямое наблюдение планет, когда свет звезды блокируется с помощью коронографа. Легче увидеть планету в инфракрасном диапазоне — именно в нем найдены две планетные системы. И еще одна планета найдена в видимом свете — у довольно яркой звезды Фомальгаут. Причем по двум снимкам, сделанным в разное время, видно, как планета сместилась, двигаясь по орбите (см. ТрВ № 44). Преимущество метода: он позволяет увидеть планеты, далекие от звезды, которые практически невозможно обнаружить спектрометрическим методом и крайне маловероятно засечь по транзиту. Хотя, конечно, можно увидеть только планеты-гиганты.
Несколько более экзотический метод — гравитационное микролинзирование. Это хорошо известный эффект, используемый для поиска объектов, невидимых в телескоп. Когда тяготеющее тело и более далекая звезда оказываются на одном луче зрения, наблюдаемая яркость этой звезды многократно возрастает. Линзой может быть и обыкновенная звезда. Поскольку все звезды движутся, возрастание блеска длится относительно недолго, например, несколько недель. Если у звезды-линзы нет планет, кривая блеска линзируемой звезды опишет симметричный пик. Если есть планеты, линза искажается, причем так, что появляются небольшие области дополнительного усиления, каустики. Если далекая звезда проходит очень близко к каустике планеты, на склоне пика появляется дополнительный острый пичок. Потом звезды расходятся, и событие не повторяется: следить за звездой в надежде увидеть новое событие микролинзирования бесполезно из-за ничтожной вероятности. Это недостаток метода. Но есть и достоинства. Во-первых, микролинзирование позволяет найти достаточно далекие от звезды и сравнительно небольшие планеты, которые не отлавливаются другими методами. Во-вторых, все вероятности хорошо считаются. Если проводить систематический обзор неба на предмет микролинзировния, то известна вероятность найти планету данного типа. А это значит, что по найденным планетам, пусть и небольшому числу, можно восстановить их реальную распространенность. Сейчас методом микролинзирования найдено около 10 планет, причем они попадают в область, не покрываемую другими методами. В частности, найдена планета порядка 5 земных масс, находящаяся по отношению к своей звезде где-то между нашими Марсом и Юпитером.
Теперь попробуем дать общую сводку. Итак, на начало марта 2010 г. улов составляет 429 планет у 362 звезд. В 45 системах найдено не менее двух планет (рекорд — пять). Первое, что бросается в глаза: (а) огромное разнообразие, (б) несоответствие былым представлениям о планетных системах. Большинство найденных планетных систем не только не похожи на Солнечную, но и вряд ли пригодны для жизни. Если в системе есть горячий Юпитер, значит шансы на наличие планет земной группы невелики. Дело в том, что гигантская планета не могла появиться на тесной орбите — она могла лишь мигрировать туда из более холодных областей, порушив все на своем пути. Если есть гигантская планета с сильно вытянутой орбитой, то орбиты остальных планет, сравнимые по размеру, будут нестабильными. Таких орбит довольно много: например, если орбита порядка земной или больше, то порядка половины из них имеют эксцентриситет больше 0,3.
Конечно, против систем типа Солнечной работает эффект наблюдательной селекции. Наша система в подобных наблюдениях была бы представлена одним Юпитером, причем обнаружить его было бы сложней, чем большинство других, уже найденных планет-гигантов с меньшими орбитами. Есть ли среди найденных систем подобные той, как выглядела бы наша? Есть, несколько штук из 362. На самом деле, с поправкой на наблюдательную селекцию, их доля должна быть выше. У них вполне могут быть планеты земного типа на соответствующих орбитах. Есть ли обнаруженные планеты со стабильными орбитами типа земной? Есть несколько штук, но это планеты-гиганты (до обнаружения аналога Земли дело еще не дошло). Но если у этих гигантов есть спутники подобные спутникам Юпитера, на них возможна жизнь. Кроме газовых гигантов типа Юпитера найдено немало меньших по массе «ледяных гигантов» типа Нептуна. Наконец, есть несколько планет, названных «суперземлями», — они всего в несколько раз превосходят Землю по массе и, судя по всему, имеют сходный состав. Одна из этих суперземель вращается вокруг красного карлика в зоне, пригодной для жизни. Это Gliese 581 d (в системе есть еще 4 планеты). То, что звезда является красным карликом, нисколько не вредит жизни; наоборот, она будет светить гораздо дольше, чем Солнце.
Большая часть звезд, у которых обнаружены планеты, близка по светимости к Солнцу. Если звезда гораздо ярче, она испаряет пыль далеко вокруг себя, а пыль является строительным материалом для планет. У более тусклых звезд планет обнаружено меньше. Возможно, что количество планет у красных карликов не меньше, просто планеты меньше по размеру и трудней обнаруживаются.
Чтобы попытаться осмыслить ситуацию и понять, насколько редка или типична Солнечная система, одних имеющихся данных недостаточно. Данные вроде говорят, что Солнечная система нетипична, но напомним, что есть эффект наблюдательной селекции, работающий против ее обнаружения. Надо еще осмыслить, как и почему образуются такие системы, какие мы наблюдаем, откуда берутся горячие юпитеры и вытянутые орбиты, при каких условиях можно ожидать, что образуется аналог Солнечной системы, а в каких — нечто совершенно непригодное для обитания.
II. Есть ли жизнь на ...?
Итак, известно 442 планеты у других звезд (на момент написания первой части статьи было 429). Почти все они гораздо больше Земли, большинство сравнимо по массе с Юпитером. Их орбиты совсем не похожи на то, что мы видим в своей системе: многие планеты-гиганты вращаются совсем близко к звезде («горячие юпитеры»), а те, что вращаются подальше, в большинстве имеют вытянутые орбиты, как будто избегая круговых. Кроме того, что эти системы не похожи на Солнечную, они в большинстве не подходят для жизни: аналога Земли со стабильной орбитой в них быть не может. Конечно, такие планетные системы легче обнаруживаются, чем копия нашей. Вопрос: насколько «уродливость» обнаруженных систем проистекает из наблюдательной селекции и насколько это — грустная правда жизни?
Несмотря на то, что систем с горячими юпитерами обнаружено много, они не столь уж типичны. Гиганты с орбитальным периодом в несколько дней при современных методах обнаруживаются наверняка с расстояний до пары сотен световых лет. И если у звезды не найдено горячего юпитера, значит его там действительно нет. Оказывается, гиганты с периодом обращения в несколько дней есть только у 1–1,5% звезд, близких к Солнцу по светимости. Гиганты на орбитах, сравнимых с орбитами Меркурия или Венеры, обнаруживаются тоже достаточно легко: такие системы есть у 3–4,5% звезд. В этих системах жизнь весьма проблематична. Для подавляющего же большинства звезд остается полный простор для фантазии. Можно ли как-то ограничить этот простор с помощью теории? Пожалуй, да.
Существовавшие ранее взгляды на образование планетных систем сложились под сильным влиянием единственного известного экземпляра. В теории образования Солнечной системы все логично: газово-пылевой протопланетный диск становился все более плоским и структурированным (типа колец Сатурна). Все двигалось по круговым орбитам. Ближе к Солнцу — только пыль, подальше — пыль, частицы льда и газ. За счет слипания частиц образуются глыбы, из них — зародыши планет. Тяготение крупных зародышей становится заметным, и темп роста ускоряется. Поближе к звезде, где газа мало, образуются планеты земной группы, поодаль — твердые зародыши с массой в десяток земных стягивают на себя газ, вырастая в планеты-гиганты. Вдали от звезды, где газа чуть поменьше, образуются ледяные гиганты (Уран и Нептун). Процесс протекает не менее 10 миллионов лет, в результате образуется хорошо сбалансированная устойчивая система. Это, конечно, сильно упрощенная картина.
Пересмотр
Теперь известных экземпляров много, и они, как уже было сказано, не вписываются в эту картину. Во-первых, горячие юпитеры. Там, где их находят, они образоваться не могли — звезда выметает весь строительный материал из этих областей. Их открытие стимулировало теорию: был открыт эффект миграции планет. Образовавшись, планета выедает в диске кольцевую щелью. Однако она взаимодействует с веществом диска за пределами щели, и если диск достаточно массивный, то орбита планеты начинает меняться. Как правило, уменьшается, но иногда может и увеличиваться. Орбита меняется до тех пор, пока планета не мигрирует за пределы диска, например в ближайшую окрестность звезды, где все вещество выметено ее излучением и ветром. Там она и остается.
Второй радикальный переворот в представлениях пришел с пониманием того, что протопланетный диск вовсе не обязательно должен быть столь же идеален, как кольца Сатурна. Он может быть кривым (это наблюдают), он может быть неоднородным по азимутальному углу и даже иметь спиральные рукава, подобные галактическим. Алан Босс (Институт Карнеги, США) в 1997 г. с помощью численного моделирования выявил образование спиральных рукавов в протопланетном диске и их уплотнение до той стадии, когда должна начаться гравитационная неустойчивость — прямой и быстрый коллапс больших облаков газа в планеты-гиганты без всяких твердых зародышей. Впоследствии численное моделирование провели с лучшим разрешением, что позволило проследить процесс дальше. Некое представление о нем дает рис. 3, где показана эволюция диска за очень короткий промежуток времени — буквально за несколько орбитальных периодов. Видно также, что скорость процесса очень сильно зависит от плотности диска: изменение на 10% радикально меняет картину. Итак, неустойчивость развивается мгновенно по астрономическим масштабам, и планеты-гиганты рождаются сразу многочисленными выводками, как видно из нижней правой картинки.
Рождением сразу многих гигантов дело не заканчивается — начинается взаимный «бильярд» за счет гравитационного взаимодействия планет. Они обмениваются импульсом, часть вышвыривается в открытый космос, пополняя множество свободно летающих планет, часть попадает на довольно близкие орбиты со сравнительно большим эксцентриситетом, каковые в основном и наблюдаются. В таком сценарии опять нет места жизни: Земля, скорее всего, будет выброшена со своей орбиты. А в каком сценарии место для жизни есть?
Для выживания планет земного типа на нужных орбитах плотность протопланетного диска должна быть не слишком велика — меньше, чем требуется для массового рождения планет-гигантов и процесса миграции к звезде. Но слишком малая плотность тоже не подходит. Дело не только в том, что должны образоваться планеты земного типа. Чтобы жизнь в системе могла существовать, отсутствия юпитера в ненужном месте мало — требуется также его присутствие в нужном месте, т. е. на достаточно большой орбите. Массивная планета в системе играет роль мусорщика, очищая внутренние области от «строительного мусора», оставшегося после формирования планет. Сейчас почти весь наш мусор — за орбитой Плутона в облаке Оорта. Без Юпитера интенсивность бомбардировки Земли кометами и астероидами была бы многократно выше.
Итак, судя по всему, пригодные для жизни планетные системы возникают в каком-то диапазоне плотности протопланетного диска, когда планеты-гиганты образуются через формирование твердых зародышей в небольшом количестве. Насколько этот диапазон узок, сейчас сказать нельзя. Но, исходя из наблюдаемого изобилия планетных систем, можно ожидать, что ближайшая Земля находится не на другом конце галактики, а в пределах одной-двух сотен световых лет. Казалось бы, какая разница? И в том, и в другом случае она будет за пределами видимости и тем более досягаемости...
Увидеть другую Землю?
Аналог Земли на достаточно большом расстоянии может быть обнаружен методом транзитов (прохождение по диску звезды), см. предыдущую статью в ТрВ №5(49). При этом можно примерно оценить ее размер, и все. Можно получить гораздо больше информации, но уже другими средствами. На это были направлены два проекта — европейский «Дарвин» и проект НАСА TPF (Terrestial planet finder). «Дарвин» уже закрыт, практически не начавшись (в 2007 г.), TPF — еще нет (но и финансирование еще не выделено). Представим, что мы могли бы узнать о двойнике Земли с расстояния около 30 световых лет, если бы проект «Дарвин» был реализован.
«Дарвин» задумывался как космический интерферометр из нескольких инфракрасных телескопов, аналогичных уже запущенному «Гершелю». Проект основан на методе интерферометрического зануления света звезды. Если несколько таких телескопов, расположенных в десятках метров друг от друга, могут управляться с микронной точностью с помощью микродвигателей, можно добиться того, что свет от выбранной звезды будет почти полностью занулен, а свет планет, обращающихся вокруг нее, — нет. Самое важное — то, что при этом можно снять спектр планеты в инфракрасном диапазоне, и этот спектр может сказать о многом. На рис. 4 — расчетный спектр Земли, как он был бы снят «Дарвином» с расстояния 10 парсек за 100 часов. Прекрасно видны молекулярные полосы поглощения CO2, воды и, главное, озона. Такое количество озона (соответственно кислорода вообще) может быть, только если на планете есть жизнь. Дело в том, что кислород — очень активный элемент, он должен быть химически связан. Небольшое количество кислорода могут давать космические лучи, разбивая молекулы CO2 или воды. Но большое количество кислорода в атмосфере однозначно говорит о том, что на планете идет мощный неравновесный процесс. Нам известен только один такой процесс — жизнь.
Почти научная фантастика
Очень хотелось бы дожить до открытия внеземной жизни, но, судя по «энтузиазму» с которым развиваются соответствующие проекты, пора смириться с нереальностью этой мечты. Будущие поколения, безусловно, найдут планеты с линиями поглощения молекул кислорода. Что дальше? В принципе эти планеты можно рассмотреть получше, затратив еще гораздо большие средства: где-то на бумаге существует концепция большого массива космических телескопов, способного дать снимок земли с расстояния 30 световых лет с разрешением 25х25 пикселей.
А можно ли послать туда зонд? «Болванку», которая прибудет в тот район через миллион лет? Нет проблем. Но в принципе возможен и зонд, который долетит за исторический масштаб времени — тысячи лет и сможет передать на Землю информацию (если здесь еще будет тот, кто способен ее принять). Здесь очень много проблем, но не принципиальных научных, а технологических, в принципе решаемых при больших затратах. Но главная проблема в другом: человек не является таким биологическим видом, у которого есть естественная мотивация прилагать усилия ради далеких поколений. По крайней мере сейчас не является.
Существовали ли вообще в истории проекты, рассчитанные на поколения вперед? Утопические теории при этом рассматривать не стоит — только практические шаги, связанные с серьезной затратой усилий и средств. Я слышал про один такой. Шведский король из династии Васа (вероятно, Густав Адольф) еще в XVII в. повелел посадить на острове в оз. Веттерн дубовый лес и при этом на протяжении десятилетий обрубать нижние ветви у дубков, чтобы к 2000 г. вырос стройный корабельный дубовый лес для шведского флота. И такой лес действительно вырос — сейчас туда валом едут туристы, вполне окупая затраты трехвековой давности. Это вселяет некоторую надежду.
Главный смысл многих масштабных проектов, если смотреть с большого расстояния, часто отличается от декларируемого. Допустим, ценой усилий группы государств, сравнимых с усилиями египтян по строительству пирамид, запущены несколько зондов к перспективным экзопланетам. Ядерные установки, плазменные двигатели, большие антенны и т. п. Основные данные ожидаются через тысячи лет, а каждый год приходят на Землю текущие рабочие данные. Заключается ли основной смысл проекта в тех долгожданных данных от экзопланет? А может быть, главный смысл — в том, что, как подсказывает чутье, все это сильно повысит шансы на существование людей, способных принять отправленные данные к проектному сроку?
.jpg)
