В четверг, 13 ноября, в авторитетном научном журнале Science появились сразу две статьи, авторы которых доложили об обнаружении экзопланет. В опубликованных результатах не было бы ничего необычного - за последние несколько лет ученые нашли три сотни экзопланет - если бы не одно уточнение. Астрономы не просто обнаружили планеты за пределами Солнечной системы - они сфотографировали их.
Ученые ищут экзопланеты давно, однако доказательства того, что они существуют, появились только в последнее время. Основные препятствия, как ни странно, создают звезды. На фоне чрезвычайно яркого излучения этих небесных тел астрономы не могут заметить слабое свечение планет. И если молодые планеты испускают хоть сколько-нибудь значимое излучение по мере своего остывания, то старые всего лишь отражают свет звезд.
Благодаря высокоточным приборам, разработанным в последние годы, ученые смогли "перехитрить" Вселенную и доказать, что Солнечная система не является уникальным явлением. Астрономы отказались от попыток увидеть солнечный зайчик на фоне Солнца и "вычислили" экзопланеты по другим характеристикам. Современные методы позволяют искать их по изменению траектории движения звезды под воздействием обращающейся вокруг нее планеты, по колебаниям ее яркости (проходя мимо звезды, планета частично закрывает ее), напротив, по увеличению яркости звезды при "взгляде" на нее в линзу Эйнштейна и так далее. Более детально ознакомиться с методами поиска экзопланет можно здесь.
Используемые методы позволяют обнаружить только массивные планеты, которые оказывают достаточно сильное влияние на свою звезду-хозяина. Кроме того, так как с помощью всех этих технологий ученые могут судить о наличии экзопланет только опосредовано, они не могут проанализировать их состав и состав окружающей их атмосферы. А значит, не могут ничего сказать о наличии на далеких планетах жизни.
Авторам опубликованных в Science статей удалось непосредственно взглянуть на экзопланеты. В одной из работ ученые "смотрели" в космос инфракрасным взглядом, а в другой - "обычным" (авторы второй работы анализировали излучение, находящееся в оптическом диапазоне длин волн). Именно это излучение воспринимает человеческий глаз без специальных приборов. Что же удалось увидеть?
Три плюс одна
Начнем с планет, обнаруженных вокруг звезды HR 8799, расположенной на расстоянии 140 световых лет от Земли в созвездии Пегаса. Эту звезду можно (при хорошем зрении) увидеть и невооруженным взглядом, но в данном случае ученые, ведущим из которых был Кристиан Маруа (Christian Marois) из Института астрофизики Герхарда Герцберга в Канаде, воспользовались двумя наземными телескопами Keck и Gemini на Гавайях. Их оптика воспринимает инфракрасное излучение в нескольких диапазонах. С помощью Keck и Gemini исследователи надеялись засечь планеты, которые еще не остыли, и поэтому испускают инфракрасное излучение.
Рассмотрев около 80 звезд-кандидатов, авторы работы остановились на 20 самых перспективных. Астрономов интересовали звезды, в спектрах излучения которых присутствует большая полоса в инфракрасном диапазоне. Такая спектральная картина свидетельствует, что вокруг звезды обращаются частицы пыли или более массивные объекты. В число отобранных исследователями звезд попала и HR 8799, которая в 1,5 раза тяжелее Солнца, а ее светимость превышает солнечную в 5 раз. Сопоставив данные, полученные телескопами в 2004, 2007 и 2008 годах, ученые обнаружили вокруг нее три объекта, вращающихся в одном направлении.
Проанализировав спектр их излучения, ученые вычислили возраст планет - около 60 миллионов лет - и их массу - от 5 до 13 юпитерианских масс. Планеты удалены от своей звезды на расстояние 24, 38 и 68 астрономических единиц (одна астрономическая единица равна среднему расстоянию от Земли до Солнца и составляет около 150 миллионов километров). Непрямые методы поиска экзопланет "работают" только для планет, находящихся на расстоянии около 5 астрономических единиц от звезды.
Коллектив, выполнивший второе исследование, анализировал данные, полученные телескопом "Хаббл". Ученые во главе с Полом Каласом (Paul Kalas) из Калифорнийского университета в Беркли сосредоточились на изучении звезды Фомальгаут в созвездии Южной Рыбы. Фомальгаут расположена на расстоянии 25 световых лет от Земли и является одной из самых ярких звезд на небосклоне. В 2004 году ученые обнаружили вокруг Фомальгаута диск, состоящий из каменных осколков и мелкой пыли. По форме диск напоминает пончик: его внутренняя часть свободна от частиц пыли.
Такие очертания пылевой диск приобретает в том случае, когда молодая формирующая планета (или планеты) "вбирает" частицы пыли, вращаясь вокруг звезды. Происходит это приблизительно так. И действительно, анализ изображений показал, что на расстоянии 119 астрономических единиц от Фомальгаута обращается планета. Она совершает полный оборот вокруг звезды за 872 года и весит не больше, чем три Юпитера. Последний вывод ученые сделали на основании формы пылевого диска. Вычисления показывают, что у экзопланеты существуют кольца, напоминающие кольца Сатурна.
К сожалению, астрономы не смогли разглядеть эту планету с помощью наземного телескопа. А данных, полученных "Хабблом" (хотя снимки сделаны с использованием двух различных длин волн), недостаточно для составления полного описания нового объекта.
Ни одной?
Результаты ученых, с одной стороны, вызвали большой энтузиазм, но с другой - стали объектом критики. Особенно много вопросов вызвала работа Маруа и коллег. Скептики утверждают, что приведенных учеными доказательств недостаточно для утверждения, что обнаруженные объекты являются планетами. Дело в том, что при вычислении их массы астрономы основывались на теоретических моделях формирования планет. Наблюдаемое излучение трех объектов подставлялось в них в качестве параметров. Однако на данный момент ученые не обладают достаточным количеством информации, чтобы однозначно признать эти модели верными.
Если проводить расчеты на основании других моделей, то масса экзопланет вокруг HR 8799 резко возрастает. И они превращаются в коричневых карликов - космические тела, занимающие промежуточное положение между звездами и планетами. Коричневые карлики можно назвать "недозвездами": они недостаточно горячие, чтобы в их недрах протекали термоядерные реакции превращения водорода в гелий, однако на ранних этапах своего существования карлики способны с помощью термояда сжигать дейтерий и литий. Условная граница между экзопланетами и коричневыми карликами проходит в районе 13 юпитерианских масс.
Сам Маруа считает, что найденные им и его коллегами объекты - все-таки планеты. В качестве доказательства такой точки зрения он приводит два аргумента. Первый - все три тела вращаются в одном направлении, а значит они "родились" из одного пылевого диска. Во-вторых, астрономам до сих пор не встречались системы, в которых вокруг звезды-хозяина обращались бы сразу три карлика. Так что, даже если вращающиеся вокруг HR 8799 окажутся "недозвездами", сделанное открытие выявит до сих пор не известные свойства звездных систем.
В случае объекта, вращающегося вокруг Фомальгаута, с "планетарностью" все в порядке. Оценка в три юпитерианские массы является максимальной, так что небесное тело точно не является коричневым карликом. Однако оно вполне может стать заметно тяжелее со временем, вобрав в себя частицы пыли из огромного диска, окружающего звезду.
Впрочем, обращающаяся вокруг Фомальгаута экзопланета и так весит слишком много для того, чтобы на ней могла существовать жизнь (экзопланеты, которыми "владеет" HR 8799, и вовсе безнадежны в качестве источников жизни). Кроме того, все найденные планеты слишком молоды и горячи для живых организмов. А ведь одним из преимуществ метода непосредственно обнаружения экзопланет является как раз возможность искать на них следы жизнедеятельности живых существ.
С другой стороны, зацикливаться только на поисках жизни - это как минимум неразумно. Фотографии экзопланет или коричневых карликов в любом случае являются вехой в астрономии, отмечающей переход от теоретизирования "вслепую" к непосредственному наблюдению. Кроме того, в 2013 году на орбиту Земли отправится телескоп "Джеймс Уэбб", с помощью которого астрономы смогут продолжить поиски.