Ричард Докинз - Человек в космосе. Отодвигая границы неизвестного [сборник litres]

Удивительно, что этот сценарий был предложен всего четыре с небольшим десятилетия назад. Если принять за истину, что планеты являются непосредственным побочным продуктом формирования звезды, мы сразу же приходим к выводу, что у большинства звезд должны быть свои планетные системы. Если действительно существует очень большое количество планет, их масса будет варьироваться от звезды к звезде. Наиболее массивные планеты, газовые гиганты, должны встречаться реже всего. Большая полуось орбит планет-гигантов (по крайней мере, в эпоху формирования) не может быть меньше пяти астрономических единиц (астрономическая единица равна расстоянию между Землей и Солнцем). На таком расстоянии частицы льда перестают сублимироваться и потому могут быть использованы в качестве строительных блоков. Такая большая полуось примерно соответствует орбитальному периоду в 10 лет.

Представления о механизмах формирования планет коренным образом изменились за XX век. Изучая научную литературу прошлого, можно оценить смену парадигмы, произошедшую в середине прошлого столетия. Лишь после 40-х годов астрономическое сообщество признало вероятность высокой частоты появления планетных систем. (Данные: Dick, 2001.)

Несмотря на ожидаемо высокую частоту появления планетных систем, увидеть их непосредственно очень сложно, даже те, что обращаются вокруг ближайших к нам звезд. Трудности возникают из-за того, что яркость звезды обычно в миллиард раз больше, чем яркость планеты. Мы абсолютно ослеплены светом звезд. Именно поэтому первые экзопланеты были обнаружены с помощью методов непрямого наблюдения.

Два гравитационно связанных объекта образуют систему и совершают движения относительно центра тяжести системы. Звезда, будучи намного более массивной, чем планета, имеет орбиту, которая демонстрирует очень небольшие колебания. Скорость звезды вдоль луча зрения (радиальная скорость), тем не менее, будет демонстрировать небольшие периодические изменения, которые можно зафиксировать. Анализ звездных спектров с помощью очень стабильного спектрографа обнаруживает эти небольшие изменения скорости благодаря эффекту Доплера. Изучение этих колебаний скорости позволяет астрономам определять орбитальный период планеты, эксцентриситет ее орбиты и ее примерную массу по амплитуде сигнала.

В 1994 году мы с коллегой-астрономом Дидье Кело инициировали систематический поиск экзопланет в обсерватории Верхнего Прованса с целью обнаружить потенциальные спутники очень малой массы, вращающиеся вокруг звезд-аналогов Солнца. В то время нас интересовали как возможные массивные планеты, так и предполагаемые редкие коричневые карлики. Коричневый карлик – звезда с очень низкой массой и без ядерных реакций в ядре. Самые легкие коричневые карлики могут быть всего в несколько раз массивнее Юпитера.

Диапазон масс коричневых карликов (которые, как полагают, образуются, подобно звездам, путем гравитационного коллапса облака межзвездного вещества) может пересекаться с диапазоном масс наиболее тяжелых планет (которые, видимо, образуются в результате вышеупомянутой аккреции частиц пыли и льда в аккреционном диске). Мы сделали выборку из 142 подобных Солнцу звезд (критерий отбора – относительная близость к нам и отсутствие звезды-компаньона). Мы начали искать, используя новейший спектрограф ELODIE ). Нам выделили семь ночей раз в два месяца на двухметровом телескопе.

Спустя всего несколько месяцев, поздней осенью 1994 года, мы обнаружили первый намек на периодическое изменение скорости одной из наблюдаемых звезд. Мы обнаружили, что период составляет всего 4,2 дня, и получили приблизительную массу – около половины массы Юпитера. Планета-гигант с таким коротким периодом обращения вокруг звезды солнечного типа на дистанции всего в 5 % расстояния от Земли до Солнца? Наше открытие входило в серьезное противоречие с теорией формирования планет, которую я описал выше. Чтобы исключить другие возможные интерпретации полученных данных, мы решили отложить на год объявление об открытии столь удивительного небесного тела.

Новые наблюдения в начале следующего сезона подтвердили стабильность периода, амплитуды и вариации фазовой скорости звезды 51 Пегаса. Доказательств вполне хватало, чтобы с уверенностью заявить о том, что колебания вызваны обращающейся вокруг звезды планетой!

Короткий период обращения планеты-гиганта вокруг 51 Пегаса, однако, оставался загадкой. Вскоре после объявления об открытии этой первой экзопланеты в 1995 году другая команда ученых (Лин, Ричардсон и Боденхеймер) решила эту дилемму. Они предположили, что во время жизни аккреционного диска гравитационное взаимодействие молодой планеты с диском может вызвать очень эффективное сжатие большой полуоси орбиты, что и приведет к очень коротким орбитальным периодам. Эта так называемая орбитальная миграция планет является ключевым процессом, необходимым для понимания удивительного разнообразия орбитальных характеристик экзопланет.

Теперь количество обнаруженных планет постоянно увеличивается. К концу 2013 года у нас на руках есть по-дробные орбитальные характеристики более 1000 экзо-планет. За последние 19 лет мы не только изучили значительное количество планет, но и смогли расширить критерии поиска (включить в него планеты с меньшей массой) благодаря разработке новых чувствительных спектрографов. С момента открытия планеты, вращающейся вокруг 51 Пегаса, было достигнуто более чем стократное увеличение чувствительности спектрографов.

За обнаружением 51 Пегаса b последовали находки еще нескольких газовых гигантов. Эти открытия выявили удивительное разнообразие в структуре экзопланетных систем. Во-первых, орбитальные периоды иногда оказываются короче одного дня. Во-вторых, орбиты большин-ства газовых гигантов с периодами, превышающими несколько месяцев, имеют довольно большие эксцентриситеты. В некоторых случаях мы можем измерить экстремальные эксцентриситеты, например, эксцентриситет планеты HD 80606 b равен 0,93. В-третьих, максимальная масса, наблюдаемая для экзопланет, четко не установлена. Несколько планет, обращающихся вокруг звезд солнечного типа, имеют массы в 15, а может быть, и в 20 раз больше массы Юпитера.

Очевидно, что существует некоторая двусмысленность относительно точного статуса редких очень массивных планет, поскольку в этом диапазоне масс они пересекаются с коричневыми карликами. Нижний предел массы коричневого карлика, образованного фрагментацией коллапсирующего облака, вероятно, составляет несколько масс Юпитера. Самые последние статистические данные показывают, что 14 % звезд солнечного типа имеют в своей системе по меньшей мере одного газового гиганта (с массой в 50 раз больше земной и периодом обращения менее 10 лет). Вокруг примерно одной из семи звезд солнечного типа вращается газовая планета, подходящая под упомянутые выше характеристики.