Мировые фотки

Вероятно, большинство читателей научных новостей испытывает изрядное разочарование, когда понимает, что красочные изображения инозвездных миров, которыми пестрят пресс-релизы, на самом деле «не настоящие»: это творения художников, т.е. фантазии на тему того, как могли бы выглядеть далекие планеты. Разочарование читатели испытывают и тогда, когда узнают, что практически ни одну из тех трех сотен экзопланет, обнаруженных к настоящему моменту астрономами, никто никогда доподлинно не видел. Присутствие этих объектов регистрируют по каким-либо косвенным признакам — небольшим колебаниям в спектре родительской звезды, еле заметным смещениям ее в земных небесах, периодическим уменьшениям блеска и т.д. Конечно, оттого, что их никто не видел, внесолнечные планеты не перестают быть реальными (присутствие большинства из них установлено совершенно однозначно, причем порой сразу несколькими различными способами), однако, как говорится, всегда хочется хоть одним глазком увидеть…

И с некоторых пор у ученых действительно появилась такая возможность — делать снимки экзопланет. Конечно, это не те красочные картинки, что сулят нам творения художников-фантастов, а всего лишь небольшие пятнышки света на цифровых фотографиях, но, тем не менее, они знаменуют собой начало нового этапа в космических исследованиях. К сожалению, наблюдать планеты иных солнц до последнего времени удавалось лишь в инфракрасном свете. Планеты эти зачастую столь гигантские, что мало чем отличаются от маленьких «неудавшихся» звезд — коричневых (иначе говоря, бурых) карликов. Их родительские звезды тоже довольно скромны по размерам (ведь только в лучах совсем небольшого светила планета имеет шанс «не потеряться»).

Сами такие открытия оставались спорными — за планету могли принять и коричневого карлика, и фоновую звезду… Тем не менее, ситуация постепенно меняется к лучшему. Настоящий прорыв в этих исследованиях случился совсем недавно, когда удалось сфотографировать сравнительно небольшую планету у вполне «нормальной» звезды, да еще и в оптическом, а не в инфракрасном диапазоне.

Помог ученым, конечно же, знаменитый космический телескоп NASA «Хаббл» (Hubble), который сфотографировал вероятную планету, масса которой не превышает массу трех Юпитеров. Планета находится возле звезды-гиганта Фомальгаут (HD 216956) и совершает один оборот по орбите за 872 земных года. Этот объект располагается у самой кромки обширного пылевого диска (в его разреженной внутренней части). Взаимодействие с пылевым диском и служит дополнительным доводом в пользу «настоящести» планеты.

Примечательно, что практически одновременно с этой работой стало известно и еще об одном достижении (Science, http://dx.doi.org/10.1126/science.1166585), когда с помощью крупнейших гавайских наземных телескопов Keck II и Gemini North, способных работать в инфракрасном диапазоне, группе астрономов из Канады, США и Великобритании под руководством Кристиана Маруа (Christian Marois) из канадского Института астрофизики имени Герцберга (Herzberg Institute of Astrophysics) удалось получить фотографии сразу трех планет у еще одной гигантской звезды — HR 8799 из созвездия Пегаса, которая удалена от нас на 130 световых лет. Каждый из этих объектов, находящихся на расстояниях 25, 40 и 65 астрономических единиц (1 а.е.=150 млн. км, дистанция от Земли до Солнца) от звезды, в 5-13 раз превышает массу Юпитера. Если их планетная природа в свою очередь подтвердится, то речь можно будет вести не только об очередных снимках экзопланет, но и о первых прямых наблюдениях инозвездных мультипланетных систем.

КИТОВЫЙ УС

Фомальгаут — самая яркая звезда в созвездии Южной Рыбы и 17-я по яркости звезда на всем ночном небе. Она находится от нас на расстоянии в 25 световых лет. Название звезды в переводе с арабского означает «рот кита». Забавно, что пасть кита напоминают и свежайшие снимки протопланетного диска Фомальгаута, сделанные самыми мощными телескопами (некоторым фантазерам там, впрочем, видится еще и «глаз Саурона»). Фомальгаут давно и прочно облюбовали фантасты. Окрестности этой звезды были сначала заселены чудесными королевствами и принцессами (цикл «космических опер» Эдмонда Гамильтона), затем сослужили добрую службу в деле «экспериментальной проверки гравиконцентраторов и в установлении параметров Райта» («Уравнение бледного Нептуна» Еремея Парнова и Михаила Емцева). Фомальгаут рождал самых причудливых существ. Герои «Схизматрицы» Брюса Стерлинга десятилетиями изучали там язык газовых пузырей, что живут на планетах-гигантах («точнее всего он мог быть описан как комплекс неустойчивых состояний атмосферы»), а Сергей Лукьяненко («Звезды — холодные игрушки») поселил в холмистых равнинах Фомальгаута мышей-алари («они развивались в лабиринтах глубинных нор, им важна была подвижность и небольшие размеры»). Согласно Сергею Снегову («Люди как боги»), на Фомальгауте также обитают какие-то разумные существа, которые не лишены своеобразного музыкального слуха, однако, увы, гораздо примитивнее людей. Согласно Мюррею Лейнстеру, в системе Фомальгаута есть прекрасно оборудованные космопорты и весьма коварные космические пираты («Космические пираты») С Фомальгаута вернулись герои Станислава Лема («Возвращение со звезд»). Разума они там так и не нашли, но вот Тарантога из «Звездных дневников Ийона Тихого» того же Лема числится уже профессором космической зоологии в Фомальгаутском университете…

Автором нового открытия стала группа американского астронома Пола Каласа (Paul Kalas) из Калифорнийского университета в Беркли (University of California, UC Berkeley, www.berkeley.edu). Исследование было проведено при поддержке NASA и Национального научного фонда (National Science Foundation — NSF). Калас сосредоточился на изучении Фомальгаута еще 15 лет назад, будучи аспирантом, после того, как у этой звезды удалось зарегистрировать пылевой диск. В 1998 году радионаблюдения в субмиллиметровом диапазоне показали, что диск из холодной пыли образует гигантское кольцо вокруг центральной звезды, что напоминает нам пояс Койпера в нашей Солнечной системе. В 2004 году Калас с помощью камеры ACS (Advanced Camera for Surveys) «Хаббла» изучил распределение пыли в пределах этого пояса, а три года назад, в 2005 году, он показал, что внутренний край этого диска имеет четкую границу, свидетельствующую о присутствии какого-то гравитирующего объекта-«пылесборника» (это похоже на присутствие спутников в щелях колец Сатурна). «Мы предсказывали это в 2005 году, и теперь у нас есть прямое тому доказательство», — пояснил соавтор Каласа Джеймс Грэм (James R. Graham), профессор астрономии в UC Berkeley.

После восьми лет исследований и неоднократного фотографирования близлежащих звезд в надежде найти у них планеты Калас вытянул, наконец, свой счастливый билет. На изображении, полученном «Хабблом» в 2006 году, мы видим диск из пыли и обломков (светлый овал) у звезды Фомальгаут и светлую точку планеты (она выделена отдельно в выноске). Планета находится у внутренней кромки пылевого диска (который представляет собой на самом деле кольцо с дырой, вырезанной вокруг звезды). Темный участок в центре — это пятно от коронографа, блокирующего свет от излишне яркого светила (оно в 100 млн. раз ярче самой планеты). Имеется уже две фотографии этой экзопланеты, полученные в 2004 и 2006 гг., которые свидетельствуют о том, что планета движется по орбите в полном соответствии с законами небесной механики. За 21 месяц сдвиг был именно таким, как и положено планете, находящейся на 872-летней орбите, на расстоянии 119 астрономических единиц (почти 18 млрд. км) от светила.

«Я чуть было не получил сердечный приступ в конце мая, когда удалось подтвердить, что Фомальгаут b движется по орбите вокруг своей родительской звезды», — говорит Калас. Снимки сделаны с помощью теперь уже не работающей Усовершенствованной камеры для обзоров. Новооткрытая планета (Fomalhaut b), вероятно, близка по массе к Юпитеру, но при этом удалена от своей звезды в четыре раза дальше, чем Нептун от Солнца.

Из-за относительно низкой массы и удаленности орбиты этот объект не может быть обнаружен более привычными на сегодняшний день методами (например, путем измерения небольших колебаний звезды, на которую оказывает влияние гравитация планеты). Не удалось увидеть ее пока и в инфракрасном диапазоне, в котором астрономы уже успешно фотографируют наиболее крупные и горячие экзопланеты возле молодых звезд (тепловое свечение испускают еще не охладившиеся протопланеты, а вот «готовые» планеты светят в основном отраженным светом в оптическом диапазоне). Вместо этого фотографию удалось получить в видимом свете, в котором большинства планет не видно не только из-за их малости, но и из-за ярчайшей звездной «засветки». Даже коронограф «Хаббла» не в силах блокировать звездный свет в таких условиях. Открытие планеты у Фомальгаута стало неожиданностью, поскольку произошло лишь благодаря ее исключительной яркости (объект, вероятно, обладает очень высоким альбедо). Скорее всего, планета b в настоящее время и сама окружена внушительными кольцами, пыль и обломки в которых со временем слипнутся в какое-то подобие четырех юпитерианских спутников Галилея. Если мы способны уловить свет от данной планеты, то это может означать, что она окружена кольцами, настолько широкими и яркими, что им обзавидовался бы и сам Сатурн. Впрочем, когда-то и наши планеты-гиганты могли обладать подобными кольцами — когда возраст Солнечной системы составлял порядка ста миллионов лет.

ЗОНА ХАОСА

Сообщение об открытии обнародовано 14 ноября 2008 г. в Science Express — на интернет-сайте журнала Science (http://dx.doi.org/10.126/science.1166609). В свободном доступе его можно найти на arXiv.org (http://arxiv.org/abs/0811.1994). Еще одна дополнительная статья публикуется в Astrophysical Journal, там анализируется взаимодействие между планетой и пылевым диском Фомальгаута с тем, чтобы произвести оценку массы планеты. Не исключено также, что в системе Фомальгаута вскоре отыщется по крайней мере еще одна планета (http://arxiv.org/abs/0811.1985).

Юджин Чан (Eugene Chiang), доцент Калифорнийского университета в Беркли и ведущий автор статьи в Astrophysical Journal, поясняет, что каждая планета при своем движении по орбите создает так называемую зону хаоса, и за счет гравитационных взаимодействий из такой зоны со временем выметается большая часть частиц. С увеличением массы планеты эта зона растет, а значит, по размерам «зоны хаоса» вокруг Фомальгаута b можно примерно оценить и массу планеты. Она, как уже говорилось, сопоставима с массой Юпитера и уж во всяком случае не должна превышать массу трех Юпитеров. Значит, это именно большая планета, а не коричневый карлик (звезда-недомерок), обращающийся вокруг Фомальгаута.

Чан считает, что дополнительные исследования могут ограничить массу новооткрытой планеты до 0,3-2 масс Юпитера, а скорее всего она будет равной одной юпитерианской массе. Любое более массивное тело неизбежно должно было бы «выгрызть» заметно большую часть пылевого диска вокруг звезды. Пояс простирается на расстояния от 133 до 200 астрономических единиц от Фомальгаута Планета отстоит от его края на 18 а.е.

Возраст Фомальгаута составляет около 200 млн. лет, но так как эта звезда гораздо массивнее нашего Солнца, то жить ей осталось не так долго, как нашему светилу; она будет гореть еще примерно миллиард лет, а затем последует взрыв и превращение в нейтронную звезду (возраст нашего Солнца — 4,5 млрд. лет, и ожидается, что его топлива хватит еще на 5 млрд. лет). Свою короткую жизнь Фомальгаут проживет ярко — он светит в 16 раз ярче Солнца, что, собственно, позволяет с орбиты его планеты видеть свою звезду столь же яркой, как Солнце, видимое с орбиты Нептуна (несмотря на то, что b находится в четыре раза дальше от Фомальгаута, чем Нептун от Солнца). Интересно, что планета за время наблюдений в 2004-2006 гг. уменьшала свой блеск в два раза. Исследователи объясняют эту странность наличием газовых конвективных потоков на внутренней границе кольца возле планеты.

Теперь астрономы с нетерпением ожидают ремонта «Хаббла», восстановления работоспособности его усовершенствованной камеры для обзоров и инфракрасной камеры для того, чтобы подтвердить наличие Фомальгаута b, уточнить его орбиту, выявить настоящий источник аномальной яркости в видимом диапазоне и, возможно, найти другие планеты. Ведь существует еще много пустого пространства между пылевым диском и самой звездой, и там могли бы поместиться и другие планеты со стабильными орбитами. «Вероятно, нам придется еще дождаться запуска нового космического телескопа «Джеймс Вебб» (James Webb Space Telescope), который позволит составить более четкое представление о ближайшем к звезде регионе, где могли бы существовать планеты, имеющие на своей поверхности запасы жидкой воды», – говорит Калас.

САМАЯ ПЕРВАЯ ФОТОГРАФИЯ?

Как отмечает Калас, все предыдущие сообщения о получении фото экзопланет обладали одним существенным недостатком: за планету могли принять более массивный коричневый карлик, который на самом деле представляет собой неудавшуюся звезду (массой свыше 13 масс Юпитера) и на ранних этапах жизни ярко светится в инфракрасном диапазоне (поэтому-то пресс-релизы и вслед за ними новостные сайты пишут, что только теперь получена самая первая фотография инозвездной планеты).

На самом деле, одно из первых реальных сообщений о получении фотографии гигантской внесолнечой планеты (у коричневого карлика 2MASSWJ 1207334-393254, расположенного от нас на расстоянии в 225 световых лет, в южном созвездии Гидра) появилось еще в апреле 2004 г. Первоначально этот объект был обнаружен астрономами, использующими Очень Большой Телескоп (Very Large Telescope – VLT) Южной европейской обсерватории (European Southern Observatory – ESO) в Чили. Оценка массы дала величину примерно в 5 масс нашего Юпитера, а расстояние от этой планеты до родительской звезды по крайней мере на 30% превышает расстояние между Плутоном и Солнцем, так что ей требуется 2 500 лет, чтобы совершить один виток вокруг своего светила. Этот кандидат в планеты был обнаружен с помощью адаптивной оптики (позволяющей компенсировать эффект турбулентности земной атмосферы) и снимка в инфракрасных лучах. Яркость его составила одну семисотую от яркости коричневого карлика (в тех длинах волн, что использовались при наблюдении с VLT). В январе 2005 г. пришло подтверждение этого открытия (http://ru.arxiv.org/abs/astro-ph/0409323). Новое исследование было проведено с помощью того же «Хаббла» и его инфракрасной камеры NICMOS (Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer).

А в сентябре 2008 г. три канадских астронома из Университета Торонто (University of Toronto) объявили о том, что им, возможно, удалось получить первую фотографию планеты, обращающейся возле звезды, похожей на Солнце (http://arxiv. org/abs/0809.1424). Новое достижение стало реальностью благодаря использованию Gemini North и системы адаптивной оптики. Помимо снимка (в инфракрасном диапазоне) окрестностей молодой звезды 1RXS J160929.1-210524, находящейся от нас приблизительно в полутысяче световых лет в направлении на созвездие Скорпиона, были получены также спектральные данные, подтверждающие планетарную природу компаньона, масса которого приблизительно в восемь раз превышает массу Юпитера. Расстояние от новообнаруженного объекта до родительской звезды – 330 а.е. (тогда как самая удаленная от Солнца планета в нашей Солнечной системе – Нептун – находится на расстоянии всего 30 а.е.). Родительская звезда спектрального класса K7 по своей массе лишь немногим уступает Солнцу (85%), однако гораздо моложе его – ей всего 5 млн. лет, тогда как Солнцу – почти 5 млрд.

Ведущий автор соответствующей статьи в Astrophysical Journal Letters – Давид Лафреньер (David Lafreniere). Астрономы отмечают, что вероятность того, что найденный объект случайно спроецировался на окрестности молодой звезды, довольно мала, однако она все-таки существует. И потребуется порядка двух лет на то, чтобы подтвердить, что звезда и ее вероятная планета перемещаются по космосу в одном направлении. Так что любая фотография инозвездной планеты пока что еще может условно называться «самой первой».

ДЛЯ ПОИСКА ЭКЗОПЛАНЕТ ИСПОЛЬЗУЕТСЯ НЕСКОЛЬКО РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБОВ

Первоначально по вариациям в излучении пульсаров удалось обнаружить присутствие планет размером с Землю. Однако это были все заведомо мертвые миры.

Затем с помощью доплеровской спектроскопии и наземных телескопов ученые научились измерять небольшие смещения характерных спектральных линий различных элементов в спектрах звезд, вызванные воздействием гравитации вращающихся вокруг них планет-гигантов. «Рывки» звезд приводят к тому, что спектральные линии немного сдвигаются то в красную, то в фиолетовую область спектра. Моделирование позволяет при необходимости выявлять присутствие сразу нескольких планет, заставляющих родительскую звезду выписывать замысловатые «кренделя» в пространстве, высчитать их удаленность от светила, периоды обращения и другие параметры орбит. Этот метод регистрации экзопланет до сих пор остается едва ли не самым востребованным, однако он не лишен серьезных недостатков: так, неясно, как плоскость орбиты системы повернута к земному наблюдателю, поэтому обычно получают лишь нижнюю оценку масс. К тому же метод чувствителен только к крупным объектам и плане- там, имеющим чрезвычайно короткие периоды обращения («горячим юпитерам»).

Третий путь открылся вместе с точными астрометрическими наблюдениями. Принцип во многом схож с доплеровской спектроскопией, однако при этом ведется уже поиск периодических колебаний в позиции родительской звезды на небесной сфере, а не радиальной скорости. Этот метод, вообще говоря, обладает еще меньшей чувствительностью и большинством недостатков, присущих способу номер два, однако позволяет при этом регистрировать весьма удаленные спутники звезд и наблюдать колебания светил в системах, наблюдаемых не «с ребра», а «с макушки» (т.е. обойденных при использовании второго метода).

Сравнительно недавно в ход пошел четвертый способ, набирающий теперь популярность не только среди астрономов-профессионалов, но и среди любителей: фотометрические измерения прохождений искомых планет по диску звезды. Транзитные «мини-затмения» позволяют получить записи кривых интенсивности звездного излучения и таким образом восстановить информацию не только о массе, но и о размерах затмевающего тела (и даже о его форме). А зная массу и диаметр планеты, можно оценить ее среднюю плотность и таким образом высказывать обоснованные предположения об общем составе. Специфика транзитного метода – в периодическом отслеживании поведения большого числа звезд. У некоторых из этих звезд могут найтись близкие и достаточно крупные планеты, причем с подходящими орбитами, повернутыми к нам «ребром»… 

Еще один метод – метод гравитационного микролинзирования – связан с известными предсказаниями теории относительности. Массивный гравитирующий объект искажает пространство и искривляет проходящие рядом с ним световые лучи (например, от фоновой звезды), тем самым «выдает» себя. Данный метод применим даже в случае сравнительно небольших объектов, однако он также требует непрерывного слежения за многочисленными звездами-кандидатами, да к тому же сами события линзирования в принципе не повторяются (т.е. возникают сложности при необходимости подтвердить открытие и уточнить параметры планетной орбиты). Наличие планеты, собственно, выявляют по кривой блеска – на ней в «час X» наблюдается дополнительный «пичок». Методом микролинзирования были открыты, в частности, самые мелкие планеты, так называемые «суперземли», чья масса отличается от земной менее чем на порядок.

Наконец, несколько лет назад (с появлением орбитальных и крупнейших наземных телескопов, снабженных адаптивной оптикой) открылась и еще одна возможность – улавливать свет (инфракрасное излучение) от инозвездной планеты самым непосредственным образом. Можно либо обнаружить специфическую «примесь» в спектре звезды, либо даже разрешить саму планету, о чем, собственно, и идет речь в данной заметке…