Разведка далеких планет

Нередко эти открытия ставят теоретиков в тупик. Так, неожиданностью стало в 2005 г. сообщение об открытии планеты в системе тройной звезды HD 188753 (с. 9 цветной вкладки). Там горячий юпитер обращается с периодом 3,35 сут. вокруг очень похожей на Солнце звезды HD 188753А, у которой есть еще пара небольших звезд-спутников (HD 188753В и HD 188753С). Эти две звездочки совершают взаимный пируэт с периодом 156 сут. и обращаются вокруг главной звезды HD 188753А с периодом 25,7 года по эксцентричной орбите, занимая область между орбитами Юпитера и Урана. Обнаружение планеты в системе двойной и даже тройной звезды само по себе не стало сенсацией: такие примеры уже были известны и даже получили прозвище «татуинских планет» (намек на родную планету Скайуокера из киноэпопеи «Звездные войны»). Но в предыдущих случаях звезды располагались на больших расстояниях друг от друга и почти не вмешивались в формирование планетных систем вокруг каждой из них. В случае же HD 188753 область формирования планет-гигантов оказалась занятой парой звезд-спутников. Где же тогда сформировался горячий юпитер HD 188753А b до того, как он мигрировал к своему нынешнему положению вблизи хозяйской звезды? Теоретики не могут ответить на этот вопрос и поэтому надеются, что существование «татуинской» планеты HD 188753А b не подтвердится. А наблюдатели пока спорят, существует эта планета или нет.

Рис. 6.10. Схема тройной звезды HD 188753. Рядом с более крупным одиночным компонентом, возможно, движется планета-гигант. Если ее существование подтвердится, это станет проблемой для теории формирования планет.

Хотя проблемы формирования и эволюции планетных систем очень интересуют астрономов, большинство людей проявляет к экзопланетам чисто «биологический» интерес. Им хотелось бы знать, когда и какими методами будут открыты планеты, подобные Земле, – с водной оболочкой и атмосферой. Если планета уже найдена и орбита ее определена, нетрудно вычислить, попадает ли эта планета в «зону жизни» родительской звезды. Одна такая планета, возможно, уже найдена: это Глизе 581g (GJ 581g). Она массивнее Земли примерно втрое и удалена от своей звезды ровно настолько, что температура на ее поверхности должна быть близка к О °С. По оценкам, эта планета может удерживать атмосферу земного типа и иметь на поверхности жидкую воду. Но большой уверенности эта оценка не дает: то, что вода (именно жидкая вода) может существовать на планете, еще не означает, что она там есть. Для более надежного определения состава атмосфер землеподобных экзопланет нужны не фотометрические, а спектроскопические наблюдения. Такие проекты сейчас осуществляются: это американские космические обсерватории TPF-C (звездный коронограф) и TPF-I (звездный интерферометр), а также европейская обсерватория «Дарвин». Но эти аппараты отправятся на орбиту не раньше 2015 г.

Без преувеличения можно сказать, что открытие внесолнечных планет – это великое событие в истории науки. Сделанное на исходе XX в., оно в перспективе станет одним из важнейших событий прошедшего века наравне с овладением ядерной энергией, выходом в космос и открытием механизмов наследственности. Уже сейчас ясно, что недавно начавшийся XXI век станет временем расцвета планетологии – ветви астрономии, изучающей природу и эволюцию планет. Несколько столетий лаборатория планетологов ограничивалась дюжиной объектов Солнечной системы, и вдруг, всего за несколько лет, число доступных объектов увеличилось в десятки раз, а диапазон условий, в которых они существуют, оказался обескураживающе широким. Современного планетолога можно уподобить биологу, который многие годы изучал лишь флору и фауну пустыни и вдруг попал в тропический лес: сейчас планетологи находятся в состоянии легкого шока, но скоро они оправятся и сориентируются в гигантском многообразии новооткрытых планет.

Вторая наука, а точнее протонаука, ощущающая мощный эффект от открытия планет у иных звезд, – это биология внеземной жизни, экзобиология. Учитывая темп обнаружения и исследования экзопланет, можно ожидать, что XXI век принесет нам открытие биосфер на некоторых из них и ознаменует этим долгожданное и окончательное рождение экзобиологии, до сих пор развивавшейся в латентном состоянии из-за отсутствия реального объекта исследования.

7. Планеты-карлики

За пределом Большой восьмерки

Вот мы и «вернулись из разведки», обнаружив восемь больших планет в нашей Солнечной системе и около пятисот очень больших планет в других планетных системах. Попутно узнали (главы 4 и 6), что кроме полновесных, настоящих планет, многие звезды окружены роями мелких тел – астероидов, карликовых планет, комет, межпланетной пыли… Присутствие мелкой пыли без особого труда обнаруживается даже у далеких звезд: обладая большой суммарной поверхностью, пылинки перехватывают заметную долю оптического излучения своей звезды и, нагревшись, переизлучают эту энергию в инфракрасном диапазоне. Именно избыток ИК-излучения в спектре звезды заставляет предположить наличие вокруг нее пылевого облака или диска. Иногда его удается сфотографировать (см. рис. 6.9). Хотя отношение к бытовой пыли у нас сугубо отрицательное, космическая пыль очень интересует астрономов и служит объектом пристального исследования. Без сомнения, очень велика ее роль в рождении звезд и планет, поскольку пылинки – главные охладители межзвездной среды, способствующие ее сжатию и конденсации. Не менее важна роль пылинок как катализаторов химических реакций в межзвездном и межпланетном пространстве. Не исключено, что первые шаги в эволюции живого вещества тоже были сделаны благодаря космической пыли. Но эту интересную тему мы оставим для другого рассказа, а раз уж отправились на разведку планет, то ими и ограничимся.

Эта глава посвящена маленьким планетам Солнечной системы, не входящим в «большую восьмерку», но все же имеющим некоторые признаки настоящих планет. Давайте вспомним определение планеты (с. 245): это объект, обращающийся вокруг Солнца и достаточно массивный для того, чтобы придать себе сфероидальную форму, к тому же не имеющий рядом со своей орбитой тел сравнимой с ним массы. Что касается отсутствия близких массивных соседей, то это требование, разумеется, важно для правильного представления о происхождении и эволюции планеты, но прямо не связано с условиями на ее поверхности и в ее недрах. Если масса космического тела настолько велика, что собственная сила тяжести придала ему сфероидальную форму, то это означает, что в его недрах протекает геологическая эволюция. В результате вещество разделяется по плотности (легкое вверх, тяжелое вниз), выделяется тепло, идут химические реакции и т. п. А если у этого тела к тому же есть атмосфера и, может быть, даже небольшие спутники, то любой планетолог будет изучать его как полноценную планету. Высадившись на поверхности такого тела, мы ощутим себя на планете, независимо от того, как называется этот объект в астрономических справочниках.

Рис. 7.1. Сравнительные размеры первых десяти астероидов и Луны. Крупнейший астероид Церера теперь отнесен к семейству планет-карликов.

Собственно говоря, именно в таком широком смысле астрономы довольно долго использовали термин «планета». Плутон был назван планетой, несмотря на то, что его орбита пересекается с орбитой значительно более крупного тела – Нептуна. А все астероиды до недавнего времени называли «малыми планетами». Сейчас это положение исправлено: Плутон и ему подобные стали называть «планетами-карликами», а более мелкие объекты – просто «астероидами». Именно о планетах-карликах пойдет речь в этой главе, а следующую, заключительную главу мы посвятим еще более странным планетам, живущим в семействах спутников больших планет. Их бы стоило называть «планетами-спутниками». Но пока речь не о них.

Как отличить планету от прочих небесных светил?

При взгляде на ночное небо все светила, кроме Луны, сначала кажутся нам одинаковыми «звездочками», различающимися только своим блеском. Но, присмотревшись, мы замечаем, что подавляющее большинство звезд дрожит, мигает, переливается, то есть испытывает хаотические флуктуации блеска. Астрономы называют это мерцанием. Мерцает абсолютное большинство звезд, но не все: некоторые светят стабильно. Почему они «отбились от коллектива»? С помощью

звездной карты и Астрономического календаря, а еще проще – с помощью компьютерного планетария быстро выясняется, что немигающие «звезды» – это в действительности планеты. Стабильность блеска планет давно уже стала народным способом их поиска на небе: обычно именно так отличают планеты от ярких звезд.

Как известно, звезды мерцают потому, что их свет проходит через неспокойные слои атмосферы. Теплые потоки воздуха поднимаются вверх, охлажденные стремятся вниз, они смешиваются друг другом, дробятся на ячейки с разной температурой и оптической плотностью. На границах этих ячеек происходит преломление света. В общем, такой процесс легко смоделировать, направив в стакан с кипятком струйку холодной воды либо наоборот. Попробуйте сами: поставьте стакан холодной воды на газету, плесните в него кипяток – и увидите, как будет выглядеть газетный текст сквозь воду, пока она полностью не перемешается. Глядя сквозь оптически неоднородную бурлящую атмосферу на далекие источники света (не только космические!), мы замечаем их мерцание в том диапазоне частот, который доступен нашему зрению, то есть не выше 20 Гц. Высокочастотные мерцания мы (в отличие, скажем, от стрекоз) не различаем, хотя они тоже присутствуют.

Оставим пока в стороне явление дифракции света на зрачке глаза, а также зернистость сетчатки, которые даже при отсутствии атмосферы не позволили бы нам различить реальный диск звезды или воспринять далекую звезду как точку исчезающе малого углового размера. Оба эти явления – дифракция и «пиксельная» структура сетчатки – размывают изображение звезды, но сами по себе в силу своей статичности не вызывают колебаний яркости и цвета. Однако и в том случае, если бы острота нашего зрения была фантастически высокой, мы, наблюдая сквозь атмосферу, не смогли бы различить реальные диски звезд. Дело в том, что за время одного «кадра», воспринимаемого нашим зрением (около 0,05 с), быстрое атмосферное дрожание почти точечного изображения звезды создает вместо него «кляксу», угловой размер которой зависит от состояния атмосферы в месте наблюдения и обычно составляет от 2'' до 5''. Впрочем, наш глаз не различает столь малых углов. Дифракция на зрачке и неоднородность сетчатки снижают угловое разрешение нашего ночного зрения до 2–3 минут дуги, то есть примерно до 150''. Так что звезду-«кляксу» размером 2–5'' наш глаз воспринимает как точку, но низкочастотные колебания ее яркости глаз замечает. Они-то и служат причиной мерцания звезд.

Все это понятно, но почему же все-таки звезды мерцают, а планеты – нет, почему при наблюдении ночного неба невооруженным глазом изображение звезды дрожит, а планета выглядит более стабильной, почти неизменной? Разумеется, преломление света в атмосфере не зависит от того, каков его источник: звезда или планета.

Таблица 7.1

Угловой диаметр планет, доступных по своему блеску для наблюдения невооруженным глазом

Причина видимого различия звезд и планет в том, что угловой размер любой из ярких планет значительно больше углового размера атмосферных изображений звезд. Это видно из данных табл. 7.1, причем нужно учитывать, что меньшее значение диаметра относится к конфигурации (рис. 7.2), в которой планета не наблюдается. Для внешних планет – Марса, Юпитера и Сатурна – это эпоха соединения, когда планета располагается на небе вблизи Солнца. Для внутренних планет – Меркурия и Венеры – это эпоха верхнего соединения, когда планета также располагается вблизи Солнца, находясь за ним. Обычно внешние планеты наблюдаются вблизи их противостояния и поэтому имеют максимальный угловой размер. А внутренние планеты (особенно Меркурий) видны лишь в эпоху наибольшей элонгации, когда их диаметр составляет около половины от максимального, точнее 8–9'' у Меркурия и 26'' у Венеры. Не беря в расчет Меркурий (немногие его когда-либо видели!), можно заключить, что диски ярких планет видны под углом не менее 20'', что значительно превосходит размер атмосферных изображений звезд.