Джон Уиллис - Все эти миры — ваши. Научные поиски внеземной жизни

С учетом того, каких трудов стоило вычисление положений планет, Кеплер сосредоточил свои усилия на Марсе: если наблюдать Марс с Земли, то можно видеть, что время от времени он начинает двигаться в обратном направлении и, совершив по небу круг, возвращается на прежнюю траекторию. Ни одна из существовавших в то время теорий не позволяла объяснить это явление, и расчеты, сделанные Кеплером для круговой орбиты, также расходились с результатами наблюдений. Предсказанное им положение Марса отличалось от наблюдаемого на восемь угловых минут, или приблизительно четверть диаметра полной Луны. Раздосадованный тем, что годы упорного труда прошли впустую, Кеплер, однако, не посчитал возможным пренебречь результатами наблюдений. Он мог бы не обратить внимания на несоответствия или придумать им какое-то объяснение. Он мог бы усомниться в точности наблюдений. Он мог решить, что, прежде чем отказываться от такой стройной теории, надо получить более веские опровержения. Но Кеплер был, вероятно, первым современным ученым, поскольку осознавал, что каждая мелочь имеет значение, а в его теорию эти мелочи не вписывались.

Кеплер вновь уселся за свой письменный стол, разочарованный, но по-прежнему полный решимости. Долгие поиски вернули его к той же точке, с которой он начинал, — к неподдающейся объяснению замысловатой орбите Марса. На самом деле Кеплер уже вплотную подошел к разгадке, просто сам еще этого не понимал. Могла ли орбита быть не кругом, а эллипсом? Кеплеру уже было известно, что эллипсы, как и круги, относятся к семейству кривых, именуемых коническими сечениями, образованных пересечением плоскости с конусом.

Вернувшись к идее эллиптических орбит, Кеплер неожиданно обнаружил, что они идеально подходят для описания движения Марса. Остальные известные планеты заняли свои места в Солнечной системе, расположившись на эллиптических орбитах. Свое открытие он сформулировал в виде первого закона планетного движения: планеты обращаются вокруг Солнца по эллиптическим орбитам, причем в одном из фокусов эллипса расположено Солнце. Каждая планета двигалась в собственном ритме: ускоряясь вблизи Солнца и замедляясь на другом конце эллипса. Это стало вторым законом. Наконец, Кеплер выразил математическую гармонию планетных орбит в третьем законе: квадрат периода обращения планеты пропорционален кубу среднего расстояния от Солнца.

Кеплер умер в 1630 г., а его законы получили окончательное признание лишь 57 лет спустя, в 1687 г., когда Исаак Ньютон опубликовал один из самых выдающихся трудов в истории науки — «Математические начала натуральной философии» (Mathematical Principles of Natural Philosоphy), в котором среди прочего сформулировал закон всемирного тяготения. Ньютон восхищался законами Кеплера. Полученные с помощью этих законов предсказания положения планет оставались такими же точными, как в тот день, когда эти законы были впервые сформулированы. Но почему? Какая невидимая сила заставляла планеты вращаться вокруг Солнца? Пытаясь найти ответ на этот вопрос, Ньютон создал закон всемирного тяготения, в соответствии с которым сила гравитационного притяжения между двумя телами пропорциональна произведению массы этих тел, разделенному на квадрат расстояния между ними. Ньютон показал, что законы Кеплера справедливы не только для Солнечной системы, но и для любой планетной системы, обращающейся вокруг звезды. Иными словами, зная массу родительской звезды, вы можете рассчитать диапазон возможных планетных орбит ‹‹3››. Вместе законы Ньютона и Кеплера позволяют отследить движения планет не только вокруг нашего Солнца, но и вокруг всех звезд, которые обладают планетными системами.

И наконец, становится на место последний элемент головоломки, которого нам не хватало для полноты картины, полученной на основе наблюдений планетного транзита: зная орбитальный период планеты и массу родительской звезды, вы можете с помощью третьего закона Кеплера вычислить орбитальный радиус. Теперь вы представляете себе масштаб новой планетной системы.

Благодаря всем перечисленным особенностям планетные транзиты служат нам щелочкой, в которую мы можем подсмотреть отдаленные планетные системы. Однако для этого нужна исключительно высокая точность. Транзит планеты размером с Землю перед звездой величиной с Солнце вызывает уменьшение ее яркости на одну десятитысячную, или на 0,01 %. Чтобы быть уверенным, что вы наблюдаете именно транзит, а не случайную погрешность, ошибка измерений должна быть в пять раз меньше ожидаемой величины сигнала, или 0,002 % ‹‹4››. Этого трудно добиться даже на больших наземных телескопах, большинство из которых позволяет измерить яркость звезд с точностью, не превышающей 1 %.

Для обнаружения транзита необходимы точные измерения, а значит, надо переносить телескоп в космос. Наблюдения, проводимые за пределами Земли, обладают несколькими важными преимуществами. Вы избавляетесь от влияния земной атмосферы с ее турбулентностью и рассеянным светом. Вы можете проводить наблюдения непрерывно, независимо от смены дня и ночи. И наконец, стабильные условия наблюдения в сочетании с малошумными цифровыми датчиками позволяют проводить фотометрические ‹‹5››измерения высочайшей точности.

В 1984 г. небольшая группа ученых, возглавляемая Уильямом Боруки из Исследовательского центра Эймса в Калифорнии, впервые свела эти идеи воедино. Они задумали построить космическую обсерваторию, которая позволила бы на протяжении 4 лет непрерывно наблюдать участок неба, содержащий 160 000 ярких звезд. Вероятность случайного попадания трех точек на одну линию указывает, что даже если у каждой звезды есть планета, то в лучшем случае мы сможем наблюдать транзит лишь у 10 % из них, т. е. у 16 000 звезд. Точность наблюдений будет достаточной, чтобы обнаружить транзит планеты размером с Землю по диску звезды, подобной Солнцу. Если эта далекая «Земля» совершает оборот вокруг своей родительской звезды за один год, тогда за 4 года работы миссия по обнаружению новых миров должна зафиксировать 4 транзита в этой системе, чтобы мы могли быть уверены в природе наблюдаемого явления.

Прошло больше 20 лет, прежде чем космический телескоп «Кеплер» был запущен в космос и смог приступить к поиску новых миров. НАСА бесконечное число раз отклоняло планы проведения миссии, но, к чести готовивших ее ученых, надо отметить, что все технические трудности и сомнения были преодолены с помощью лабораторных и полевых испытаний ‹‹6››. «Кеплер» был выбран в качестве исследовательской миссии НАСА в декабре 2001 г. Сколько это стоило? $600 млн на все: создание телескопа, запуск и обработку данных на Земле. С учетом полученных на сегодняшний день научных результатов инвестиции оказались очень выгодными.