Как на ладони

Астрономам удалось напрямую получить спектр экзопланеты

- Я хотел бы заказать билет на планету Транай, - сказал молодой человек.
Агент закрыл журнал "Полезные изобретения", который он читал, и сдвинул брови.
- Транай? Транай? Это, кажется, одна из лун Кента-IV?
- Нет, - ответил молодой человек. - Транай - планета, обращающаяся вокруг звезды, носящей то же название. Я хочу туда съездить.
- Никогда о ней не слышал. - Агент взял с полки Звездный каталог, туристскую звездную карту и справочник под названием "Редкие межпланетные маршруты".

Еще два десятка лет назад этот диалог из рассказа Роберта Шекли казался таким же фантастическим, как и рассказы о кораблях, летающих быстрее скорости света. Но начиная с 1992 года существование планет у других звезд - астрономы называют их экзопланеты - стало признанным научным фактом. За прошедшие почти два десятка лет исследователи обнаружили больше 400 экзопланет (по состоянию на 14 января 2010 года было найдено 424 штуки).

В отличие от звезд, которые можно разглядеть невооруженным взглядом или, на худой конец, в телескоп, увидеть далекие планеты не так просто. Их излучение очень тусклое, и кроме того, его чрезвычайно трудно разглядеть на фоне света, испускаемого звездой-"хозяином". Долгое время ученые судили о наличии экзопланет по косвенным признакам. Например, астрономы следили, не изменяется ли яркость звезды, когда планета проходит прямо перед ней (этот метод получил название транзитного). Кроме того, специалисты внимательно изучали спектр излучения светила: гравитация обращающейся вокруг звезды планеты периодически "оттаскивает" его то в коротковолновую, то в длинноволновую области (метод радиальной скорости).

Существует еще ряд технологий, позволяющих астрономам уверенно утверждать, что у той или иной звезды есть "питомцы", не видя их. С помощью этих технологий ученые могут не только искать новые планеты, но также делать выводы об их массе, размерах и параметрах орбиты. Все эти сведения необходимы для уточнения существующих моделей формирования планет. Но только этой информации для получения более или менее комплексной картины недостаточно. Чтобы разобраться в законах планетообразования, ученые должны знать состав планет и их атмосферы. Подобные сведения можно узнать только при непосредственном наблюдении.

Первой вехой на пути к эре прямого слежения за экзопланетами стала работа, выполненная в 2008 году. Тогда двум группам астрономов удалось сфотографировать экзопланеты. Один коллектив исследователей изучал звезду Фомальгаут в созвездии Южной Рыбы, а второй наблюдал светило HR 8799, расположенное в созвездии Пегаса. Звезда HR 8799 оказалась "хозяйкой" сразу трех экзопланет, названных, соответственно, HR 8799b, HR 8799c и HR 8799d.

Планетная система звезды HR 8799 вызывала у ученых особый интерес, так как по многим параметрам она напоминает Солнечную систему, только увеличенную в несколько раз. HR 8799 массивнее Солнца в 1,5 раза, а обращающиеся вокруг звезды планеты тяжелее Юпитера от 7 до 10 раз. Дистанция до всех трех планет также намного больше, чем расстояние от Солнца до Земли: HR 8799b удалена от звезды на 24 астрономических единицы, HR 8799c - на 38 и HR 8799d - на 68 астрономических единиц. За орбитами HR 8799b и 8799d астрономы обнаружили два пояса астероидов, напоминающих главный пояс астероидов и пояс Койпера Солнечной системы.

Авторы новой работы также изучали систему HR 8799. Астрономы из Германии и Канады решили продвинуться дальше своих коллег и зарегистрировать спектр излучения одной из трех планет - расположенной посередине между двумя "напарницами" HR 8799c. Спектр является огромным ресурсом информации о небесном теле. Излучение производят все материалы, температура которых выше температуры абсолютного нуля. При этом излучение каждого отдельного вещества уникально. Все вещества, входящие в состав объекта, вносят свой вклад в формирование спектра. Разложив суммарный спектр, например, экзопланеты, на составляющие его "спектрики" астрономы могут узнать состав экзопланеты и/или ее атмосферы.

Задача получить спектр излучения планеты по сложности сравнима с задачей ее непосредственного наблюдения. Как выразился один из авторов нового исследования, разглядеть бледное излучение далекой экзопланеты на фоне чрезвычайно яркого излучения звезды, - это все равно что пытаться "с расстояния в два километра увидеть свет свечи, стоящей рядом с ослепляюще яркой лампой мощностью 300 Ватт".

К настоящему моменту на руках у ученых уже есть индивидуальные спектры излучения нескольких экзопланет, однако получены они не "в лоб", а обходным путем. Схема работы была следующей: сначала астрономы получали спектр излучения звезды в момент, когда планета находилась на некотором удалении от светила. Второй раз спектр регистрировали, когда планета была точно за звездой. Вычитая второй спектр (излучение только звезды) из первого (излучение и звезды и планеты), ученые получали спектр планеты. Этот способ удобен, но обладает одним существенным недостатком: он применим только для планет, орбиты которых наклонены по отношению к Земле строго определенным образом. В "неподходящих" планетных системах, которых гораздо больше, планета никогда полностью не скрывается за диском звезды.

В новом исследовании спектр экзопланеты удалось получить из непосредственных наблюдений. Авторы использовали инфракрасный спектрометр CONICA массива телескопов VLT (Very Large Telescope) Европейской южной обсерватории, на котором была установлена система адаптивной оптики. Астрономы работали именно с инфракрасным спектрометром, так как еще не остывшие планеты звезды HR 8799 излучают именно в этом диапазоне частот. Для того чтобы спектр HR 8799c "проступил" в спектре звезды, ученые фотографировали планету с выдержкой около пяти часов. В итоге им удалось получить индивидуальный спектр экзопланеты.

Его анализ показал, что существующие теории формирования планет, вероятно, не верны. Состав HR 8799c не укладывается ни в одну из наиболее популярных моделей. Ученые предположили, что одной из причин несоответствия является обилие пыли в атмосфере экзопланеты. Однако теории, учитывающие ее влияние, также не объясняют всех особенностей состава HR 8799c.

Результаты исследования нельзя назвать абсолютно новыми. Ранее другой коллектив авторов смог напрямую получить спектр излучения экзопланеты, обращающейся вокруг коричневого карлика - объекта, представляющего собой нечто среднее между большой планетой и маленькой звездой. Но излучение коричневых карликов во много раз слабее излучения звезд, соответственно, усилий по извлечению спектра экзопланеты требуется намного меньше.

В ближайшее время ученые намерены получить спектры двух оставшихся планет в системе HR 8799. Если у них получится реализовать этот план, то можно будет говорить о жизнеспособности нового метода. А там, возможно, недалеко останется до качественного скачка в исследовании далеких миров.