6 октября 1995 года на научной конференции во Флоренции, Италия, два швейцарских астронома сделали заявление, которое изменило наше понимание Вселенной за пределами Солнечной системы. Мишель Майор и его аспирант Дидье Кело, который работал в Женевском университете, объявили, что они обнаружили планету, вращающуюся вокруг звезды, отличной от Солнца.
Рассматриваемая звезда, 51 Пегас, расположена примерно в 50 световых годах от нас в созвездии Пегаса. Ее спутница – по имени 51 Pegasi b, или Димидий – совсем не была похожа на то, что описано в учебниках.
Это был газовый гигант массой не менее половины массы Юпитера, вращающийся вокруг своей звезды всего за четыре дня. Планета была настолько близка к ней (одна двадцатая расстояния Земли от Солнца, то есть внутри орбиты Меркурия), что ее линии. Эти линии могут быть представлены в виде «звездного штрих-кода», содержащего информацию о химическом составе звезды.
Майор и Кело заметили, что «штрих-код» 51 Pegasi ритмично смещался назад и вперед в спектре каждые 4,23 дня – характерный признак того, что звезда колебалась под гравитационным влиянием невидимого компаньона, скрытого в ее полярном сиянии.
После тщательного изучения и исключения других объяснений астрономы пришли к выводу, что колебание вызвано газовым гигантом, вращающимся очень близко к звезде, похожей на Солнце. На первой странице журнала Nature, где была опубликована их статья, был заголовок: «Планета в Пегасе»?
Открытие озадачило научное сообщество, а вопросительный знак на обложке Nature отразил первоначальный скептицизм. Перед учеными была предположительно гигантская планета рядом с с зазором в двери, который, только что открывшись, выпустил настоящий поток. За прошедшие 30 лет было каталогизировано более 6000 экзопланет (планет за пределами Солнечной системы) и кандидатов на этот статус.
Их разнообразие поражает: не только горячие, но и сверхгорячие Юпитеры, вращающиеся вокруг менее чем за день; миры, вращающиеся вокруг не одной, а двух звезд – как Татуин из «Звездных войн»; странные «сверхпузырьковые» газовые гиганты, большие, чем Юпитер, но с гораздо меньшей массой; цепочки небольших каменистых планет, сжатых в плотные орбиты.
Открытие Димидия стало революцией, и в 2019 году Майор и Кело получили за это Нобелевскую премию. Теперь мы можем предположить, что у большинства звезд есть планетные системы – и все же среди тысяч обнаруженных экзопланет нам еще предстоит открыть одну систему, похожую на нашу.
Поисковые запросы планетарные системы, подобные нашей. И где-то на горизонте остается вероятность того, что однажды мы, наконец, обнаружим еще одну планету, похожую на Землю.
Происхождение исследований экзопланет
До середины 1990-х годов Солнечная система была единственной известной человечеству планетарной системой.
Все теории о том, как формируются и развиваются планеты, были основаны на этих девяти чрезвычайно близко расположенных источниках данных (которые сократились до восьми, когда Плутон был лишен статуса планеты в 2006 году).
Все эти планеты вращаются вокруг только одной звезды из примерно 100 миллиардов звезд, которые существуют в нашей галактике Млечный Путь. Тот факт, что во Вселенной, вероятно, насчитывается не менее 100 миллиардов галактик, еще раз подчеркивает, как мало мы знаем.
Это примерно то же самое, как если бы инопланетяне пытались выяснить природу и поведение человечества, n. Если Вселенная состоит из бесконечного числа атомов, рассуждал он, то невозможно, чтобы другие планеты не существовали.
Он также хорошо понимал, что это может означать для потенциального появления жизни в другом месте: мы не должны предполагать, что миры обязательно имеют одинаковую форму. В одном мире могут быть семена, из которых появляются животные, растения и все остальное, что мы видим, в то время как в другом мире их может не быть вообще.
Вместо этого примерно в то же время другой греческий философ Аристотель (384–322 гг. до н.э.) предложил свою геоцентрическую модель Вселенной, в которой Земля неподвижна в центре, а Луна, Солнце и известные в то время планеты вращаются вокруг нее.
На самом деле Солнечная система, как ее представлял себе Аристотель, была целой вселенной. В книге «На небесах» (350 г. до н.э.) он писал: огромность Вселенной заставила Джинса поверить, что планеты чрезвычайно редки — или даже, как отмечалось в его некрологе, «что Солнечная система может быть единственной во Вселенной».
Но в то время понимание масштаба Вселенной постепенно менялось.
Во время Великих дебатов 1920 года, состоявшихся в Смитсоновском национальном музее естественной истории в Вашингтоне, американские астрономы Харлоу Шепли и Хибер Кертис обсуждали, является ли Млечный Путь всей Вселенной или только одной из многих галактик.
Доказательства начали склоняться ко второму варианту, как утверждал Кертис. Это осознание того, что Вселенная содержит не только миллиарды звезд, но и миллиарды галактик, в каждой из которых миллиарды звезд, начало влиять даже на самых пессимистичных сторонников планетарной редкости.
В 1940-х гг. рассматриваться как реальная научная возможность.
Для нас ничто не иллюстрирует это изменение мышления лучше, чем статья, написанная для Scientific American в июле 1943 года влиятельным американским астрономом Генри Норрисом Расселом. Если два десятилетия назад Рассел предсказывал, что планеты «должны быть редкими среди звезд», то теперь название его статьи звучало как «Конец антропоцентризма». Подзаголовок гласил: «Новые открытия доказывают вероятность существования тысяч обитаемых планет в нашей Галактике».
Поразительно, что Рассел говорил не просто о каких-то планетах, а о обитаемых. Вопрос, который горячо интересовал ученых, был очевиден: где они? И только спустя полвека человечество начало находить ответы.
Как обнаружить экзопланету
Когда мы наблюдаем множество звезд через итальянский телескоп Galileo на В рамках сотрудничества Harps — N мы смогли наблюдать развитие науки о малых экзопланетах буквально с первых рядов с 2012 года.
Еще одна веха в этой истории произошла через четыре года после открытия Димидия, когда канадский аспирант Гарварда Дэвид Шарбонно обнаружил транзит известной экзопланеты – другого горячего Юпитера, известного как HD209458b, также расположенного в созвездии Пегаса, примерно в 150 световых годах от Земли.
Транзит – это когда планета проходит перед своим взором с точки зрения наблюдателя, временно затемняя свою яркость. Помимо самого факта обнаружения экзопланеты, метод транзита позволяет измерить ее радиус – для этого необходимо произвести множество измерений яркости звезды и дождаться, пока она потемнеет во время прохождения планеты.
Степень оказывает на нее гравитационное воздействие, что заставляет звезду периодически колебаться взад и вперед – то есть периодически менять свою скорость относительно наблюдателей на Земле. Используя метод радиальной скорости, мы делаем несколько измерений скорости звезды, чтобы найти стабильное периодическое колебание, которое указывает на наличие планеты.
Однако эти изменения скорости крайне малы. Для сравнения, Земля заставляет Солнце менять свою скорость всего на 9 сантиметров в секунду – медленнее, чем черепаха. Таким образом, чтобы обнаружить планеты с помощью метода радиальных скоростей, нам нужно измерить такие незначительные изменения скорости у звезд, которые находятся на расстоянии многих триллионов километров от нас.
Современные инструменты, которые мы используем, являются истинным достижением инженерного совершенства. осмотреть сразу несколько достопримечательностей.
Несмотря на разницу в успешности обнаружения, оба метода продолжают улучшаться. Их сочетание позволяет определить как радиус, так и массу планеты, открывая множество новых способов изучения ее состава.
Чтобы оценить возможный состав обнаруженных экзопланет, мы исходим из простой гипотезы: малые планеты, такие как Земля, состоят из тяжелого железного ядра, более легкой каменистой мантии, определенного количества поверхностных вод и тонкой атмосферы.
Используя измерения массы и радиуса, мы можем моделировать различные возможные структурные слои планеты и их толщину. Это все еще исследование «в процессе», но вселенная расточает нас разнообразием планет.
Мы уже видим признаки коллапса каменистых миров и странных планетарных систем, свидетельствующих о прошлых столкновениях. x был трехстраничным документом, который я только что получил под названием «Специальные инструкции для цели» (Target of Opportunity).
Первый абзац гласил: «Исполнительный совет решил, что мы должны уделить первоочередное внимание этому объекту». Речь шла о планете-кандидате, которая, как считается, вращается вокруг звезды Kepler-78 — звезды немного холоднее и меньше нашего Солнца, расположенной примерно в 125 световых годах от нас в направлении созвездия Лебедя.
Несколько строк ниже я прочитал: «Наблюдение 4–8 июля … Крис Уотсон» со списком из десяти временных интервалов для наблюдения за Kepler-78 – два раза за ночь, каждый раз с точным интервалом в четыре часа и пятнадцать минут.
Возвращаясь к этим заметкам, когда я писал эту статью, я внезапно заметил, что над моим именем было Дидье Кело. возможных значений его плотности и состава.
Просматривая свои заметки в то время, я обнаружил следующую запись: «Требуется погрешность измерения массы в 10%, чтобы получить достаточно точную среднюю плотность, чтобы различать землеподобную, насыщенную железом (например, Меркурий) или водную планету».
Всего я сделал 10 из 81 экспозиции Kepler-78, которые наша команда получила в ходе 97-дневной наблюдательной кампании. Мы узнали, что американская команда исследователей работает над одной и той же потенциальной планетой.
В лучших научных традициях мы договорились представлять наши независимые результаты одновременно и синхронно обмениваться результатами. В назначенный день, словно во время «обмена пленными», две независимые команды обменялись результатами – и они совпали. Принимая во внимание ошибки данных, мы пришли к тем же выводам относительно массы абляция всей породы на поверхности. Возможно, это была самая похожая на Землю планета, обнаруженная в то время с точки зрения размера и плотности, но в противном случае этот адский мир лавы находился на крайнем пределе всего известного планетарного разнообразия.
В 2016 году космический телескоп «Кеплер» сделал еще одно знаковое открытие: это система из как минимум пяти транзитных планет вокруг солнцеподобной звезды HIP41378 всозвездии Рака.
Особенно интересным было расположение планет: если большинство транзитных планет, которые мы наблюдали, находятся ближе к своим звездам, чем Меркурий к Солнцу (из-за особенностей наших методов обнаружения), то в этой системе как минимум три планеты расположены дальше за орбитой Венеры.
Мы решили использовать наш спектрограф Harps — N для измерения масс всех пяти транзитных планет, но через более чем год и более массивные, чем наши скалистые, их расстояния до звезды очень похожи, что помогает нам понять, как формируются планетные системы во Вселенной.
Святой Грааль исследователей экзопланет
После трех десятилетий наблюдений мы обнаружили много разных планет. Мы начали с горячих юпитеров – крупных газовых гигантов, расположенных близко к своей звезде, которые легче всего найти через более глубокие транзиты и более сильные сигналы радиальной скорости
