Нобелевская премия-химера по физике

Нобелевская премия по физике 2019 года оказалась своего рода химерой (в смысле — голова одного зверя, туловище — другого). Она поделена на две части, совершенно не связанные друг с другом — вообще относящиеся к разным областям: космология и экзопланеты. Формально такое не запрещено, но как-то не очень элегантно — по крайней мере, до сих пор подобного старались избегать. Половина премии присуждена известному космологу Джеймсу Пиблсу. Вторая — первооткрывателям экзопланет Мишелю Майору и Дидье Кело. Половины не только относятся к совершенно разным областям, но и противоположны по духу: Пиблсу премия присуждена по совокупности работ, объединяемой аморфной формулировкой «За выдающийся вклад в космологию». Майору и Кело — за одно яркое открытие, для изложения которого хватило бы короткого сообщения с одним рисунком и которое перевернуло целую область науки и повлияло на общее мировоззрение. Конечно, если бы не Майор с Кело, открытие было бы совершено кем-то другим в течение того же года, но именно этим двоим выпал счастливый билет.

Премия по совокупности

Коснемся кратко части премии Пиблса и потом подробнее расскажем об открытии экзопланет, поскольку это более яркая и драматичная история.

Вот наиболее важные работы.

• Реликтовое излучение (1965). Много позже Гамова, но про­анализирована реальная возможность его регистрации. Один из соавторов, Дикке, объяснил Пензиасу и Вильсону, какое великое открытие они совершили.
• Первичный нуклеосинтез в горячей Вселенной (1966). Это уже делал Георгий Гамов, здесь — более точный анализ.
• Акустические осцилляции (1970). Предсказание очень важного эффекта: контраст неоднородностей на карте реликтового излучения должен зависеть от размеров этих неоднородностей. Первоначально идея восходит к А. Д. Сахарову, который применил ее для неправильной модели Вселенной (холодной)¹. Позже для реалистичной модели горячей Вселенной эффект был проанализирован заново, независимо Пиблсом с Юй Цзе-Таем и Сюняевым с Зельдовичем (чуть раньше в том же 1970 году).
• Крупномасштабная структура Вселенной (как результат первичных возмущений плотности), образование галактик, их скоплений из первичных неоднородностей.
• Космология с темной энергией (ускоренное расширение Вселенной, наблюдение которого было отмечено Нобелевской премией ранее).

Все работы важные, но тянут на Нобелевскую премию только по совокупности. Пиблс — один из плеяды выдающихся космологов изучающих Вселенную после Большого взрыва, которых достаточно трудно ранжировать по вкладу в науку. Из наших ученых к этой плеяде относится Рашид Сюняев. И еще отдельно существует плеяда космологов «до Большого взрыва» (теория космологической инфляции), в которую из наших соотечественников входят Андрей Линде, Вячеслав Муханов и Алексей Старобинский. Когда-нибудь у Нобелевского комитета дойдут руки и до теории инфляции.

Гром с ясного ночного неба

Перейдем ко второй половине премии. Открытие Мишеля Майора и Дидье́ Кело́ в октябре 1995 года прозвучало как гром с ясного неба. Найдено периодическое смещение спектральных линий солнцеподобной звезды 51 Пегаса (рис. 1). Смещение линий вызвано эффектом Доплера — поверхность звезды то приближается к нам, то удаляется от нас. Естественная интерпретация — звезда вращается вокруг общего центра тяжести с некой планетой.

Но что это была за планета? Из величины доплеровского смещения и периода следовало, что это планета, которой не может быть! Планета с массой порядка массы Юпитера, обращающаяся вокруг звезды за 4 дня, в 20 раз ближе, чем Земля к Солнцу. Там вообще не может быть планет, тем более гигантов — им там не из чего образоваться! В такой близости к звезде нет вещества, там действуют огромные приливные силы, препятствующие росту планет.

Научная общественность поверила в открытие не сразу. Первая типичная реакция: это не планета, это периодическое дыхание звезды. Дыхание звезды действительно может дать синусоидальное изменение лучевой скорости. Но при этом будет меняться и яркость, но не так, как в случае планеты, — с другой амплитудой и фазой. У 51 Пегаса яркость менялась именно так и в той фазе, как это было бы в случае планеты. В течение одного-двух месяцев научная общественность признала открытие экзопланеты.

Строго говоря, Майор и Кело открыли не первую экзопланету². Во-первых, раньше были найдены планеты, обращающиеся вокруг пульсаров. 1991 году Александр Вольщан нашел периодический сдвиг фазы им же обнаруженного пульсара. Вскоре в сигнале от этого пульсара прорисовались еще два периода — всего три планеты, одна из которых по массе сравнима с Луной. Но это были неправильные планеты! Дело в том, что пульсар образуется при взрыве сверхновой, который разрушает планетную систему — планеты либо испаряются, либо выбрасываются. Пульсарные планеты, скорее всего, образовались после взрыва сверхновой из остатков взорвавшейся звезды — та часть материала (небольшая), что была выброшена при взрыве с минимальной скоростью, образовала новый протопланетный диск, а затем и новые планеты. Конечно, условия на этих планетах чудовищные…

Методика обнаружения пульсарных планет несравненно проще, чем для нормальных звезд: пульсар — точнейший таймер, и нужно просто поймать периодический сдвиг его фазы. Явление это не столь частое — известно всего три пульсара с планетами. Тем не менее Вольщан совершил интереснейшее открытие, и можно предположить, что если бы вся премия этого года пошла на экзопланеты, то он бы стал третьим лауреатом.

Кроме открытия пульсарных планет, до 1995 года произошло еще одно «недооткрытие» и одно упущенное открытие экзопланет. В 1988 году канадские астрономы Брюс Кэмпбелл, Гордон Уолкер и Стефенсон Янг опубликовали статью с указаниями на планету у звезды Гамма Цефея. Период обращения — 2,5 года, минимальная масса планеты — 1,6 массы Юпитера. Авторы не слишком настаивали на открытии: точность данных и статистическая значимость эффекта оставляли желать лучшего, да и планета казалась странной. В качестве альтернативного объяснения приводилась активность звезды. Впоследствии эта экзопланета была надежно подтверждена в 2003 году.

Упущенное открытие содержалось в данных, полученных Джефом Марси и Полом Батлером. Надо сказать, что это были очень сильные конкуренты нынешних нобелевских лауреатов — точность их измерений лучевой скорости была выше, а опыт — больше. Марси с Батлером давно вели измерения лучевой скорости звезды 16 Лебедя. В статье 1999 года приведены данные по лучевой скорости этой звезды, полученные с 1988 года. На рис. 2 прекрасно видно, что лучевая скорость 16 Лебедя сильно скакала до 1995 года, но закон, по которому она менялась, был совершенно неочевиден. И он был действительно нетривиальным — у этой планеты сильно вытянутая орбита, поэтому пилообразная кривая ее лучевой скорости не имеет ничего общего с синусоидой. Догадаться об этом, глядя на редкие прыгающие точки было непросто. Сейчас мы можем сказать, что надо было при первом же подозрении измерять лучевую скорость гораздо чаще, как после 1995 года. Тогда планета была бы открыта гораздо раньше. Все мы крепки задним умом…

Что же до 51 Пегаса, то, по словам Марси, они упустили ее по глупой случайности: в каталоге, которым они пользовались, звезда была помечена как «переменная», поэтому ее исключили из первоочередных целей.

Как это делается

Наконец, пару слов о методе лучевой скорости, с помощью которого нашли первые планеты, а также нашли и еще найдут ближайшие «земли».

Выражение «планета вращается вокруг звезды» не совсем точно. И та, и другая вращаются вокруг общего центра тяжести. Как правило, этот центр тяжести находится внутри звезды, но так или иначе звезда под воздействием планеты движется, так что внешний наблюдатель с помощью эффекта Доплера может обнаружить это периодическое движение к себе / от себя.

У любой звезды есть масса спектральных линий, в основном это линии поглощения разных веществ в ее атмосфере. Когда звезда приближается к нам, ее спектральные линии смещаются в синюю сторону, когда удаляется — в красную. Надо уточнить, что таким образом измеряется проекция вектора скорости звезды на луч зрения. Эта величина называется лучевой скоростью, или радиальной скоростью. Поэтому амплитуда колебаний скорости зависит от ориентации плоскости орбиты планеты: если эта плоскость перпендикулярна лучу зрения, то наблюдатель ничего не обнаружит.

Скорость движения Солнца в паре с Юпитером — 12 м/с. В паре с Землей — 10 см/с (эти движения складываются). Для случая Юпитера смещение составит 3 × 10^–7, для Земли 3 × 10^–10 длины волны (относительное смещение линий при скоростях, много меньших скорости света, равно V/c). Но это не самое сложное. Основная проблема в том, что линии широкие. У звезды нет ничего твердого, за что можно зацепиться при измерении скорости. Звезда вращается, бурлит и — главное — сильно нагрета. Тепловые скорости атомов — несколько километров в секунду. Нам надо измерять метры в секунду, если мы ищем юпитер у другой звезды, и сантиметры в секунду, если ищем землю. То есть надо измерять смещения спектра на одну тысячную ширины линий в случае обобщенного юпитера и на одну стотысячную в случае земли.

Измерять лучевую скорость звезды с точностью около 20 м/c научились в 1980-х. Как этого добились? Первая проблема заключается в твердой шкале, относительно которой измеряется смещение спектра. Для относительного смещения порядка 10^–7 это не столь простая задача — всё равно, что измерить десятиметровой рулеткой микронные смещения.

Еще в 1970-х была выдвинута идея использовать в качестве подобной твердой шкалы пары вещества со многими линиями поглощения. В 1984 году А. Кох и Х. Вёль предложили использовать в качестве поглощающего вещества прозрачную ячейку с парами иода. Иод выбран потому, что у него очень изрезанный и широкий спектр поглощения: большой атом дает много уровней и переходов между ними. Ячейка помещается в телескоп так, что свет звезды проходит сквозь нее и на выходе получают наложение двух спектров.

Хитрость метода иодной ячейки заключается в том, что измеряется не положение спектра звезды, а форма суммарного спектра звезды и иода, зависящая от смещения. Оказывается, это гораздо легче. Форма сильней всего меняется там, где крутой склон одного спектра накладывается на крутой склон другого, причем изрезанность спектров гарантирует, что таких совпадений будет много и даже ничтожные смещения дадут измеримый эффект. Получается нечто вроде большого штангенциркуля с огромным количеством рисок. Задача вытащить из суммарного спектра скорость звезды не столь проста и требовала довольно больших по меркам конца XX века вычислительных ресурсов. Во второй половине 1980-х метод лучевой скорости давал точность около 20 м/с, к моменту открытия 51 Пегаса точность была 10–15 м/с, сейчас подбираются к уровню 30 см/с, а от этого уже не так далеко до открытия двойника Земли у солнцеподобной звезды.

Борис Штерн

1. Butler R. P., Marcy G. W., Williams E., et al. Attaining Doppler Precision of 3 M s^–1// Publications of the Astronomical Society of the Pacific, 1996, v. 108, p. 500.
2. Mayor M., Queloz D. A Jupiter-mass companion to a solar-type star // Nature, 1995, v. 378, p. 355–359.
3. Hauser H. M., Marcy G. W. The orbit of 16 Cygni AB // Publications of the Astronomical Society of the Pacific, 1999, v. 111, № 757, p. 321.

¹ См. Рубаков В., Штерн Б. Масштабная линейка Вселенной // ТрВ-Наука № 83 от 19 июля 2011 года, с. 2–3.

² trv-science.ru/2010/03/16/ekzoplanety-sovremennye-fakty/