Разведка далеких планет

Даже менее полувека назад ситуация все еще выглядела практически безнадежной. В начале 1960-х гг. астрономы обсуждали возможность обнаружения трех типов гипотетических объектов – черных дыр, нейтронных звезд и экзопланет. (Правда, из этих трех терминов два еще не были даже придуманы, но в существование самих объектов верили многие.) Что касается черных дыр, то возможность их обнаружения казалась за гранью разумного – ведь они, по определению, невидимы! А вот что думали астрофизики о нейтронных звездах: «Такой объект будет иметь диаметр порядка 30 км, и он будет быстро остывать. Надежда увидеть такой тусклый объект столь же мала, как и надежда увидеть планету, принадлежащую другой звезде. Иными словами – надежды нет» (Кип Торн. «Черные дыры и складки времени». М.: Физматлит, 2007, с. 299).

Как видим, обнаружение далеких планет, равно как и нейтронных звезд, казалось безнадежно трудным делом. Правда, очень скоро, в 1967 г., случайно удалось обнаружить быстровращающиеся замагниченные нейтронные звезды – радиопульсары. Но это был неожиданный «подарок» со стороны радиоастрономии, на который в начале 1960-х гг. никто не рассчитывал. Однако прошло всего 30 лет, и практически одновременно (1995–1996 гг.) были открыты одиночные остывающие нейтронные звезды и планеты у иных звезд! В некотором смысле прогноз оказался верным: открытие тех и других было одинаково трудным, но оно состоялось намного раньше, чем на это рассчитывали астрономы.

Многообразие планет

Любопытно, что тогда же, в 1996 г., был открыт еще один тип гипотетических объектов, занимающий промежуточное положение между звездами и планетами, – коричневые карлики, которые отличаются от планет-гигантов лишь тем, что на раннем этапе эволюции в их недрах протекает термоядерная реакция с участием редкого тяжелого изотопа водорода – дейтерия, не дающая, однако, существенного вклада в светимость карлика. И в те же годы были открыты многочисленные малые планеты на периферии Солнечной системы – в поясе Койпера. К 1995 г. стало ясно, что эта область населена множеством тел с характерными размерами в сотни и тысячи километров, причем некоторые из них больше Плутона и имеют собственные спутники. По своим массам объекты пояса Койпера заполнили промежуток между планетами и астероидами, а коричневые карлики – промежуток между планетами и звездами. В связи с этим потребовалось точно определить термин «планета».

Верхняя граница планетных масс, отделяющая их от коричневых карликов и в целом от звезд, была определена на основе их внутреннего источника энергии: сейчас считается общепринятым, что планета – это объект, в котором за всю его историю не происходят реакции ядерного синтеза. Как показывают расчеты, проделанные для тел нормального (то есть солнечного) химического состава, при формировании космических объектов с массой более 13 масс Юпитера (M _j) в конце этапа их гравитационного сжатия температура в центре достигает нескольких миллионов кельвинов, что приводит к развитию термоядерной реакции с участием дейтерия.

Рис. 6.1. Эволюция светимости маломассивных звезд, коричневых карликов и планет после этапа их гравитационного сжатия и разогрева.

Рис. 6.2. Эволюция светимости двух протозвезд, имеющих массы чуть больше и чуть меньше нижнего предела (0,07 М _®), необходимого для протекания термоядерной реакции с участием легкого изотопа водорода (4Н -> Не).

При меньших массах объектов ядерные реакции в их недрах не происходят, поэтому массу в 13 M _jсчитают максимальной массой планеты. Объекты с массами от 13 до 70 M _jназывают коричневыми карликами, а еще более массивные – звездами: в них происходит термоядерное горение распространенного легкого изотопа водорода. Для справки: 1 M _j= 318 масс Земли ( М _E) = 0,001 массы Солнца (М _©) = 2 · 10 ²⁷кг.

По своим внешним проявлениям коричневые карлики ближе к планетам, чем к звездам. В процессе формирования все эти тела сначала разогреваются в результате гравитационного сжатия, и их светимость быстро возрастает. Затем, после достижения гидростатического равновесия и остановки сжатия, их поверхность начинает охлаждаться, и светимость снижается. У звезд охлаждение надолго прекращается после начала термоядерных реакций и их выхода на стационарный режим. У коричневых карликов охлаждение лишь немного замедляется в период горения дейтерия. А у планет поверхность охлаждается монотонно. В результате как планеты, так и коричневые карлики практически остывают за сотни миллионов лет, а маломассивные звезды остаются горячими в тысячи раз дольше. Тем не менее по формальному признаку – наличию или отсутствию термоядерных реакций – планеты и коричневые карлики отделены друг от друга.

Нижняя граница планетных масс, отделяющая их от астероидов, также имеет физическое обоснование. Минимальной массой планеты считается та, при которой в недрах планеты давление силы тяжести еще превосходит прочность ее материала. Таким образом, в самом общем виде «планета» определяется как небесное тело, достаточно массивное для того, чтобы собственная гравитация придавала ему сфероидальную форму, но недостаточно массивное для того, чтобы в его недрах протекали термоядерные реакции. Этот диапазон масс простирается приблизительно от 1 % массы Луны до 13 масс Юпитера, т. е. от 7 10 ²⁰кг до 2 10 ²⁸кг.

Рис. 6.3. Количество экзопланет, обнаруженных или подтвержденных в указанном году методом лучевых скоростей и астрометрически. Данные на 14 октября 2010 г. из Каталога экзопланет «Interactive Extra-solar Planets Catalog», http://exoplanet.eu .

Однако само понятие «планета» по решению XXVI Генеральной ассамблеи MAC (2006 г.) распалось на несколько подтипов в связи с характером орбитального движения. Во-первых, если тело планетной массы обращается вокруг более крупного подобного тела, то его называют спутником (пример – Луна). Собственно «планета» (иногда говорят «классическая планета») определяется как объект Солнечной системы, достаточно массивный, чтобы под действием собственной гравитации принять гидростатически равновесную (сфероидальную) форму, и при этом не имеющий рядом со своей орбитой тел сравнимой с ним массы. Этим условиям удовлетворяют только Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Наконец, введен новый класс объектов Солнечной системы – «планета-карлик», или «карликовая планета» (dwarf planet). Эти тела должны удовлетворять следующим условиям:

– обращаться вокруг Солнца;

– не являться спутником планеты;

– обладать достаточной массой, чтобы сила тяжести превосходила сопротивление вещества и придавала телу планеты сфероидальную форму;

– обладать не настолько большой массой, чтобы быть способной расчистить окрестности своей орбиты от прочих тел.

Прототипом планет-карликов стал Плутон (диаметр 2300 км), а самым крупным представителем этого класса сейчас (конец 2010 г.) является Эрида (2400 км), объект пояса Койпера. Там же располагаются еще две карликовые планеты – Хаумея (1150 км) и Макемаке (1500 км). Пятым и пока последним членом этой группы является Церера (975х х909 км), ранее считавшаяся крупнейшим астероидом Главного пояса.

Таким образом, в Солнечной системе мы имеем: 1) классические планеты; 2) карликовые планеты и 3) спутники с массой планет (таковых около дюжины), которые в этой книге я называю «планетами-спутниками». Номенклатура тел планетного типа за пределами Солнечной системы пока не настолько развита и совсем не формализована.

Объект с массой планеты, находящийся за пределами Солнечной системы, называют «экзопланетой» (exoplanet) либо «внесолнечной планетой» (extrasolar planet). Пока эти термины равноправны и по частоте употребления, и по смыслу (напомним, что греческая приставка экзо-означает «вне», «снаружи»). Сейчас оба эти термина почти без исключения относятся к планетам, гравитационно связанным с какой-либо звездой, за исключением Солнца. Такое толкование термину дают словари и энциклопедии. Например, «а planet that orbits a star outside the solar system». Или: «Extrasolar planet – any planetary body that orbits a star other than the Sun». Однако уже найдены и, возможно, существуют в немалом количестве самостоятельные планеты, обитающие в межзвездном пространстве. По отношению к ним используется термин «free-floating» planets(свободно плавающие планеты), но нередко и они фигурируют под именем exoplanet.Таким образом, отдельного однозначного термина для членов околозвездных планетных систем пока нет. В данном обзоре для краткости мы используем термин экзопланетаили просто планета,понимая под этим, если специально не оговорено, члена околозвездной планетной системы.

На 14 октября 2010 г. подтверждено открытие 496 экзопланет в 417 планетных системах (включая 4 планеты у двух радиопульсаров). При этом 49 систем содержат не менее двух планет, а одна – не менее 6. Ближайшая экзопланета обнаружена у звезды г Эридана, на расстоянии 3,2 пк (10 св. лет) от Солнца. За текущей статистикой открытий удобно следить на агрегаторе ресурсов «Portal of the Universe» ( или на сайте Planet Quest (http:// planetquest.jpl.nasa.gov), а подробные данные об экзопланетных системах можно найти в каталоге «The Extrasolar Planets Encyclopaedia» ( , который поддерживается Жаном Шнайдером (Парижская обсерватория). Подавляющее большинство экзопланет обнаружено с использованием различных косвенных методов детектирования, но некоторые уже наблюдались непосредственно. Большинство замеченных экзопланет – это газовые гиганты типа Юпитера и Сатурна, обращающиеся недалеко от звезды. Очевидно, это объясняется ограниченными возможностями методов регистрации: массивную планету на короткопериодической орбите легче обнаружить. Но с каждым годом удается открывать всё менее массивные и более удаленные от звезды планеты. Сейчас уже обнаружены объекты, по массе и параметрам орбиты почти не отличающиеся от Земли.