Разведка далеких планет

Сурдин Владимир Георгиевич

Например, в 1977 г. покрытие звезды Ураном астрономы наблюдали над южной частью Индийского океана. Вряд ли это удалось бы сделать даже с борта морского судна: в «ревущих сороковых» широтах помешали бы облачность и качка. А с борта самолета наблюдения провести удалось. Летающая обсерватория «Койпер» (КАО – Kuiper Airborne Observatory) работала в составе NASA с 1974 по 1995 г. На борту модифицированного транспортного самолета С-141А находился кассегреновский рефлектор диаметром 92 см, в основном предназначенный для наблюдений в широком ИК-диапазоне (от 1 до 500 мкм). Рабочая высота этой обсерватории достигала 14 км. Выше практически не бывает облаков и атмосфера очень сухая, что необходимо для инфракрасных наблюдений, поскольку пары воды поглощают это излучение. С помощью телескопа КАО были открыты кольца Урана (1977 г.), обнаружена атмосфера Плутона (1988 г.) и составлены ценные каталоги инфракрасных источников ночного неба. Сейчас

самолет-обсерватория «Койпер» законсервирован на авиабазе Эймсовского исследовательского центра в Калифорнии; возможно, он станет научным музеем. А на смену ему пришла новая техника: NASA совместно с Немецким аэрокосмическим центром создали летающую обсерваторию SOFIA (Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy) на базе самолета «Боинг-7478Р», несущего телескоп диаметром 2,5 м и способного работать на высотах до 12,5 км. Подобные мобильные обсерватории чрезвычайно полезны: обычные телескопы привязаны к земле, телескопы на спутниках движутся по строгому орбитальному расписанию, а самолет-обсерватория всегда может быть в нужное время в нужном месте. По существу, такой летающий телескоп делает обсерваторией весь земной шар. Можно сказать, что вся Земля становится планетой-телескопом.

6. Недоступные планеты

Самое долгожданное открытие в астрономии состоялось 15 лет назад: в 1995 г. было доказано наличие планет у иных звезд, за пределами Солнечной системы. Надежду и даже уверенность в их существовании многие ученые и философы высказывали с древнейших времен. Впрочем, были и уверенные в обратном: например, великий Аристотель считал, что Земля уникальна, и других таких нет. Но даже те, кто верил во «множественность миров», понимали, что обнаружить планеты в окрестности ближайших звезд технически будет чрезвычайно сложно. До изобретения телескопа такая задача вообще не ставилась, а возможность существования иных планетных систем обсуждалась лишь умозрительно (тем больше поражает уверенность некоторых мыслителей в их существовании – вспомним Джордано Бруно!). Но и при наличии всё более и более совершенных телескопов астрономы еще не так давно рассматривали поиск иных планетных систем как неактуальное занятие, как задачу для далеких потомков.

Даже менее полувека назад ситуация все еще выглядела практически безнадежной. В начале 1960-х гг. астрономы обсуждали возможность обнаружения трех типов гипотетических объектов – черных дыр, нейтронных звезд и экзопланет. (Правда, из этих трех терминов два еще не были даже придуманы, но в существование самих объектов верили многие.) Что касается черных дыр, то возможность их обнаружения казалась за гранью разумного – ведь они, по определению, невидимы! А вот что думали астрофизики о нейтронных звездах: «Такой объект будет иметь диаметр порядка 30 км, и он будет быстро остывать. Надежда увидеть такой тусклый объект столь же мала, как и надежда увидеть планету, принадлежащую другой звезде. Иными словами – надежды нет» (Кип Торн. «Черные дыры и складки времени». М.: Физматлит, 2007, с. 299).

Как видим, обнаружение далеких планет, равно как и нейтронных звезд, казалось безнадежно трудным делом. Правда, очень скоро, в 1967 г., случайно удалось обнаружить быстровращающиеся замагниченные нейтронные звезды – радиопульсары. Но это был неожиданный «подарок» со стороны радиоастрономии, на который в начале 1960-х гг. никто не рассчитывал. Однако прошло всего 30 лет, и практически одновременно (1995–1996 гг.) были открыты одиночные остывающие нейтронные звезды и планеты у иных звезд! В некотором смысле прогноз оказался верным: открытие тех и других было одинаково трудным, но оно состоялось намного раньше, чем на это рассчитывали астрономы.

Многообразие планет

Любопытно, что тогда же, в 1996 г., был открыт еще один тип гипотетических объектов, занимающий промежуточное положение между звездами и планетами, – коричневые карлики, которые отличаются от планет-гигантов лишь тем, что на раннем этапе эволюции в их недрах протекает термоядерная реакция с участием редкого тяжелого изотопа водорода – дейтерия, не дающая, однако, существенного вклада в светимость карлика. И в те же годы были открыты многочисленные малые планеты на периферии Солнечной системы – в поясе Койпера. К 1995 г. стало ясно, что эта область населена множеством тел с характерными размерами в сотни и тысячи километров, причем некоторые из них больше Плутона и имеют собственные спутники. По своим массам объекты пояса Койпера заполнили промежуток между планетами и астероидами, а коричневые карлики – промежуток между планетами и звездами. В связи с этим потребовалось точно определить термин «планета».

Верхняя граница планетных масс, отделяющая их от коричневых карликов и в целом от звезд, была определена на основе их внутреннего источника энергии: сейчас считается общепринятым, что планета – это объект, в котором за всю его историю не происходят реакции ядерного синтеза. Как показывают расчеты, проделанные для тел нормального (то есть солнечного) химического состава, при формировании космических объектов с массой более 13 масс Юпитера (M_j) в конце этапа их гравитационного сжатия температура в центре достигает нескольких миллионов кельвинов, что приводит к развитию термоядерной реакции с участием дейтерия.

Рис. 6.1. Эволюция светимости маломассивных звезд, коричневых карликов и планет после этапа их гравитационного сжатия и разогрева.

Рис. 6.2. Эволюция светимости двух протозвезд, имеющих массы чуть больше и чуть меньше нижнего предела (0,07 М_®), необходимого для протекания термоядерной реакции с участием легкого изотопа водорода (4Н -> Не).

При меньших массах объектов ядерные реакции в их недрах не происходят, поэтому массу в 13 M_j считают максимальной массой планеты. Объекты с массами от 13 до 70 M_j называют коричневыми карликами, а еще более массивные – звездами: в них происходит термоядерное горение распространенного легкого изотопа водорода. Для справки: 1 M_j = 318 масс Земли (М_E) = 0,001 массы Солнца (М_©) = 2 · 10²⁷ кг.

По своим внешним проявлениям коричневые карлики ближе к планетам, чем к звездам. В процессе формирования все эти тела сначала разогреваются в результате гравитационного сжатия, и их светимость быстро возрастает. Затем, после достижения гидростатического равновесия и остановки сжатия, их поверхность начинает охлаждаться, и светимость снижается. У звезд охлаждение надолго прекращается после начала термоядерных реакций и их выхода на стационарный режим. У коричневых карликов охлаждение лишь немного замедляется в период горения дейтерия. А у планет поверхность охлаждается монотонно. В результате как планеты, так и коричневые карлики практически остывают за сотни миллионов лет, а маломассивные звезды остаются горячими в тысячи раз дольше. Тем не менее по формальному признаку – наличию или отсутствию термоядерных реакций – планеты и коричневые карлики отделены друг от друга.

Нижняя граница планетных масс, отделяющая их от астероидов, также имеет физическое обоснование. Минимальной массой планеты считается та, при которой в недрах планеты давление силы тяжести еще превосходит прочность ее материала. Таким образом, в самом общем виде «планета» определяется как небесное тело, достаточно массивное для того, чтобы собственная гравитация придавала ему сфероидальную форму, но недостаточно массивное для того, чтобы в его недрах протекали термоядерные реакции. Этот диапазон масс простирается приблизительно от 1 % массы Луны до 13 масс Юпитера, т. е. от 7 10²⁰ кг до 2 10²⁸ кг.

Рис. 6.3. Количество экзопланет, обнаруженных или подтвержденных в указанном году методом лучевых скоростей и астрометрически. Данные на 14 октября 2010 г. из Каталога экзопланет «Interactive Extra-solar Planets Catalog», http://exoplanet.eu.

Однако само понятие «планета» по решению XXVI Генеральной ассамблеи MAC (2006 г.) распалось на несколько подтипов в связи с характером орбитального движения. Во-первых, если тело планетной массы обращается вокруг более крупного подобного тела, то его называют спутником (пример – Луна). Собственно «планета» (иногда говорят «классическая планета») определяется как объект Солнечной системы, достаточно массивный, чтобы под действием собственной гравитации принять гидростатически равновесную (сфероидальную) форму, и при этом не имеющий рядом со своей орбитой тел сравнимой с ним массы. Этим условиям удовлетворяют только Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Наконец, введен новый класс объектов Солнечной системы – «планета-карлик», или «карликовая планета» (dwarf planet). Эти тела должны удовлетворять следующим условиям: