Конспект
Восемь тысяч миров — и это только начало. Ещё тридцать пять лет назад человечество не знало ни одной планеты за пределами Солнечной системы. Джордано Бруно, конечно, догадывался, что у далёких солнц должны быть свои планеты, но чем это для него закончилось, все помнят. От философской догадки до реального открытия прошли века, и техническая задача оказалась настолько сложной, что решить её удалось только в девяностые годы XX века. Зато сразу несколькими способами — и бездна экзопланет буквально хлынула на астрономов.
Что считать экзопланетой — и почему даже учёные не знают точного ответа
Казалось бы, что тут сложного: планета, которая вращается вокруг другой звезды. Но дьявол, как всегда, в деталях. Есть официальное определение: экзопланета — это объект планетной массы, вращающийся вокруг более массивного тела. Не слишком тяжёлый, чтобы быть звездой, не слишком лёгкий, чтобы быть мусором, и не бурый карлик — промежуточный класс объектов, в которых идут термоядерные реакции, но не те, что в настоящих звёздах. Оторвите мысленно Меркурий от Солнца и отправьте в свободный полёт — он перестанет быть экзопланетой. Свяжите его в пару с Венерой — тоже не экзопланета, потому что ни один из них не вращается вокруг существенно более массивного тела. Подавляющее большинство исследователей, получающих потрясающие результаты в этой области, скорее всего, не помнят формального определения и определяют экзопланету интуитивно — примерно так же, как мы все знаем, что такое пиво, даже если ГОСТ говорит иначе.
На графике зависимости радиуса от массы хорошо видны три класса объектов. Справа вверху — звёзды, в недрах которых водород превращается в гелий. Слева внизу — планеты: Земля, Венера, Уран, Нептун, Сатурн, Юпитер. А посередине — бурые карлики, в которых термоядерные реакции идут, но только на дейтерии и некоторых редких элементах. Много энергии на этом не получишь, но от обычных планет они отличаются. Границы между классами нечёткие, и это создаёт массу интересных пограничных случаев.
Кто открыл первую экзопланету — вопрос без однозначного ответа
Если спросить случайного прохожего, он назовёт 51 Пегаса b, открытую Мишелем Майором и Дидье Кело в 1995 году. За это открытие вручили Нобелевскую премию по физике — что само по себе стало сенсацией, потому что за чисто астрономические результаты Нобелевские премии дают крайне редко. Забавная деталь: буквально за пять минут до объявления этой премии астрофизик Сергей Попов в эфире канала «Наука 2.0» уверенно заявил, что за открытие экзопланет Нобелевскую премию точно никогда не дадут.
Но история сложнее. Ещё в 1992 году Александр Вольщан и Дейл Фрейл абсолютно надёжно обнаружили планеты у нейтронной звезды — пульсара. Нобелевскую за это не дали: планеты у пульсара — экзотика, мы до сих пор не понимаем, как они образовались, и ничего подобного больше не нашли. А в 1988 году была опубликована статья с кандидатами в экзопланеты, которых подтвердили только в 2003 году. В 1989 году у другой звезды нашли массивный компаньон, но лишь в 2019-м выяснилось, что это бурый карлик, а не планета. Так что вопрос «какая экзопланета была первой» — идеальный экзаменационный вопрос: правильного ответа на одну строчку просто не существует.
Раскачать звезду: метод лучевых скоростей
Треть людей в опросах говорят, что Солнце вращается вокруг Земли, две трети — что Земля вокруг Солнца. Но правильный ответ — оба тела вращаются вокруг общего центра масс. Вы притягиваете Землю с точно такой же силой, с какой Земля притягивает вас, — просто вы менее массивны, и поэтому эффект на вас заметнее. Этот же принцип лежит в основе первого успешного метода открытия экзопланет. Планету не видно, но звезда, вокруг которой она обращается, слегка покачивается — как человек, крутящий невидимый обруч. Половину орбитального периода звезда движется к нам, половину — от нас, и это периодическое движение можно поймать по эффекту Допплера: спектральные линии звезды смещаются то в синюю, то в красную сторону.
У 51 Пегаса скорость менялась на пятьдесят метров в секунду с периодом около четырёх дней. Пятьдесят метров в секунду — это технически непросто, но вполне измеримо. Зато результат оказался шокирующим: планета массой с Юпитер, но с орбитальным периодом всего четыре дня! В Солнечной системе ничего подобного нет. Так родился термин «горячий Юпитер» — и загадка, над которой бьются до сих пор. Если планет у звезды несколько, кривая скорости становится сложнее, но принцип тот же: звезда откликается на каждую планету, и из этого сложного танца можно вытащить информацию обо всех участниках. Прогресс идёт стремительно: от пятидесяти метров в секунду в девяностых до одного метра в секунду сегодня. Для обнаружения полного двойника Земли нужно поймать девять сантиметров в секунду — пока невозможно, но к концу десятилетия новые спектрографы на сорокаметровом телескопе ELT должны до этого добраться.
Ярким примером стало открытие планеты у Проксимы Центавра — ближайшей к нам звезды. Расстояние — около пяти световых лет, ближе просто не бывает. Планета по массе похожа на Землю, а благодаря тому, что звезда — тусклый красный карлик, планета попадает в зону обитаемости, где потенциально возможна жидкая вода. Правда, звезда проблемная, и понадобилось огромное количество наблюдений: если убрать половину точек с графика, периодическое изменение скорости вообще не очевидно.
Тень на звезде: транзитный метод и космические телескопы
Идея проста, как паучок на лампе. Если планета проходит по диску звезды, она перехватывает часть света, и блеск звезды чуть падает. Насколько чуть? Это определяется отношением площадей: Земля меньше Солнца по радиусу в сто раз, значит, площадь — в десять тысяч раз. Одна десятитысячная — это как четыре волоса в расчёске утром: ещё никакой паники, но заметить трудно. Для планет-гигантов эффект больше — полтора процента для первого измеренного транзита у планеты HD 209458b. Но чтобы ловить Земли, нужна фантастическая точность, и главный враг — земная атмосфера. Звёзды мерцают — это знает каждый, и именно поэтому телескопы для поиска транзитов отправляют в космос.
Телескоп «Кеплер» с метровым зеркалом — скромным по земным меркам — четыре года наблюдал одну и ту же область неба в созвездиях Лиры и Лебедя, мониторя двести тысяч звёзд. Результат — несколько тысяч открытых планет. Среди них Кеплер-22b — первая планета в зоне обитаемости, и Кеплер-37b — планета меньше Меркурия, сигнал от которой настолько слаб, что без красной линии на графике никто не скажет, что точки распределены неравномерно. Даже крошечный канадский спутник MOST — не самая передовая космическая держава, но вовремя сделали аппарат — открыл первую экзопланету у звезды, видимой невооружённым глазом. Россия, к слову, великая космическая держава, ничего подобного не сделала.
У транзитного метода есть скрытый бонус. Наблюдая, как от раза к разу меняется длительность или время начала транзита, можно обнаружить невидимые планеты в той же системе — их гравитация слегка раскачивает орбиту видимой планеты. Это позволяет измерить не только радиус, но и массу, а значит — определить плотность. А плотность гораздо лучше указывает на состав, чем масса или радиус по отдельности.
Гравитационная линза, пульсарные часы и прямые фотографии
Любое тело, имеющее массу, искривляет пространство-время вокруг себя. Если между нами и далёкой звездой пролетает другая звезда с планетой, свет усиливается — сначала на звезде-линзе, а потом коротким пичком на планете. Первым о гравитационном линзировании написал петербургский профессор Хвольсон — его статью можно уместить в твит. Эйнштейн позже показал, что вероятность увидеть эффект мала, если следить за одной звездой. Но можно следить за миллионом — и когда появились ПЗС-матрицы с миллионами пикселей, метод заработал. Его прелесть в том, что планету можно открыть за одну ночь, она может находиться на любом расстоянии от звезды, и метод работает почти во всей Галактике. Колоссальный недостаток: повторно изучить эту планету уже невозможно.
Пульсары — нейтронные звёзды с магнитным полем — работают как космические часы точнее земных атомных. Если рядом с пульсаром есть планета, импульсы приходят то чаще, то реже из-за того же эффекта Допплера. Именно так в 1992 году были открыты планеты у пульсара PSR 1257+12, одна из которых имеет массу почти как у Луны — невероятно лёгкий объект, но абсолютно надёжно идентифицированный. Можно и просто увидеть, как звезда описывает эллипс на небе из-за невидимого компаньона — астрометрический метод. Спутник «Гайя» десять лет проводил наблюдения, и первые экзопланеты, обнаруженные этим способом, уже есть.
Наконец, в единичных случаях планеты можно сфотографировать напрямую. Молодые юпитеры ещё горячие, они продолжают сжиматься и светятся сами. У звезды Бета Живописца за шесть лет наблюдений планета прошла половину орбиты — это видно на последовательных снимках. А в системе HR 8799 четыре планеты буквально танцуют вокруг звезды на анимации из реальных наблюдений — совершенно уникальный случай, ничего подобного больше нет.
Зачем нам тысячи чужих атмосфер — и при чём тут земной климат
Телескоп Джеймса Уэбба уже работает на орбите и среди прочего впервые сфотографировал старые юпитеры — планеты возрастом в несколько миллиардов лет у белых карликов. До этого на прямых снимках видели только молодые планеты возрастом до ста миллионов лет. Маленький европейский спутник ХИОПС, который выглядит так, будто его купили в IKEA, целенаправленно ищет транзиты у планет с уже измеренными лучевыми скоростями — чтобы к массе добавить радиус. В 2026 году полетит европейский «Платон» с тридцатью четырьмя телескопами и программой на миллион звёзд. В 2027-м — американский телескоп Нэнси Грейс Роман для массового поиска событий микролинзирования. А в 2031-м — «Ариэль», первый космический аппарат, целиком посвящённый изучению атмосфер экзопланет.
И вот тут начинается самое неожиданное. Какая научная проблема сегодня, пожалуй, самая экономически значимая в мире? Глобальное потепление. Мы не до конца понимаем, как меняется климат, а от этого зависят решения на триллионы долларов. Проблема в том, что Земля — одна. Изучать климатическую систему по единственному образцу — всё равно что лечить инопланетянина, не зная, какая у него нормальная температура и должны ли у него отваливаться конечности. Когда у нас появятся тысячи планет с изученными атмосферами, климатология станет космической наукой. Физические аспекты климатических моделей можно будет обкатывать не только на Земле, но и на множестве экзопланет. Люди, которые придут в науку ради изучения других миров, со временем перейдут в земную климатологию — туда, где больше рабочих мест и ресурсов. К середине века это может дать качественно лучшие климатические модели.
Карты далёких миров: от сорокаметровых телескопов до гравитационной линзы Солнца
На Земле достраивается ELT — Extremely Large Telescope с зеркалом сорок метров. Европейцы не блещут фантазией в названиях: предыдущее поколение называлось VLT (Very Large Telescope), а американский конкурент — просто TMT (Thirty Meter Telescope). ELT начнёт полноценную работу в конце двадцатых и, по расчётам, сможет идентифицировать кислород в атмосферах потенциально обитаемых планет вокруг красных карликов. Для двойника Земли у солнцеподобной звезды этого пока недостаточно — но в сороковые годы NASA планирует запустить телескоп HWO, специально спроектированный для поиска и изучения обитаемых планет.
Есть и совершенно фантастические идеи. Солнце можно использовать как гигантскую гравитационную линзу: если отправить телескоп на расстояние в несколько сотен астрономических единиц (ни один аппарат в истории туда ещё не долетал), можно получить увеличенное изображение далёкой планеты и после обработки — её карту. В моделировании из фотографии Земли через имитацию наблюдений алгоритмы восстановили узнаваемую карту — менее резкую, чем оригинал, но вполне информативную. Реалистичные сроки — следующий век, и к тому времени у нас уже будет набор потенциально обитаемых планет с биопризнаками в атмосфере.
Но есть способ проще — тот же, что использовали в шестидесятые для определения функционала спутников-шпионов. Спутник вращается, его солнечные панели, антенна и корпус по-разному отражают свет, и по кривой блеска можно восстановить размеры компонентов и даже энергетику аппарата. Планеты тоже вращаются, и их поверхность неоднородна: океаны, пустыни, леса, лёд отражают свет по-разному. Если достаточно точно измерять блеск экзопланеты на протяжении многих оборотов, можно определить, какую долю поверхности занимает вода, суша, растительность и лёд. Телескопы следующего поколения — ELT, TMT и их преемники — потенциально способны дать такие данные для ближайших экзопланет. Главное — найти достаточно интересных целей. А для этого нужно открывать много планет, потому что увеличение количества — это не самоцель, а способ повысить вероятность наткнуться на что-то по-настоящему удивительное.
