ПРОШЛО БОЛЬШЕ 20 ЛЕТ! ПОСЛЕ ОТКРЫТИЯ ПЕРВОЙ ПЛАНЕТЫ ДАЛЬНЕГО КОСМОСА, А ЗВЕЗДНЫХ СИСТЕМ, ПОХОЖИХ НА СОЛНЕЧНУЮ, НЕ ОБНАРУЖЕНО. ПОЧЕМУ?

ДЭВИДУ ЛЕЙТЕМУ не повезло: его электронное письмо было отправлено 1 апреля 1988 года. Дэвид работал астрономом Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики в Кембридже (Массачусетс, США) и занимался поиском планет, обращающихся вокруг других звезд (экзопланет). В своем сообщении коллегам он писал, что обнаружил кое-что интересное, а именно: тело, двигающееся по орбите самой непримечательной желтой звезды на расстоянии в 130 световых лет от Земли, звезды, известной лишь обозначением HD 114762. Для коллег Лейтема все это показалось просто первоапрельской шуткой. Будь новый объект планетой, то пришлось бы сразу пересматривать все, что было известно на тот момент о солнечных системах (или лучше называть их звездными системами).

Но вот уже два десятилетия охота за планетами в моде, и Лейтем давно реабилитирован. Сотни планет и солнечных систем, открываемых чуть ли не каждую неделю и нарушающих все известные закономерности, стали обыденностью. По сути они уже сами составляют некую закономерность, и настало время задать вопрос: быть может, наша Солнечная система сама является исключением из правил?

Впервые современные идеи образования и эволюции звездных систем озвучил еще в 1755 году Иммануил Кант. Он отмечал, что орбиты всех планет Солнечной системы находятся в одной плоскости с экватором Солнца. На основании этого он сформулировал «небулярную гипотезу»: Солнце образовалось из огромного сжимающегося облака газа и пыли, а планеты зародились из диска вращающейся вокруг него материи. Глядя в небо, Кант видел неясные спиральные пучки, которые и считал такими нарождающимися звездными системами.

Теперь известно, что это галактики, однако небулярная теория остается основополагающей в современных представлениях об образовании планет. Через сорок лет после Канта французский математик и астроном Пьер Симон Лаплас переформулировал теорию в более точных терминах, позволяющих делать расчеты на основе закона всемирного тяготения. В наши дни компьютеры позволяют за один день пробежать миллиарды лет, позволяя смоделировать любое количество планет, похожих на наших соседей по Солнечной системе.



Так ученые пришли к уверенности, что история Солнечной системы универсальна. «Считать окружающую среду, в которой живет человек, универсальнои в политическом, социальном и религиозном смысле заложено в его природе», —утверждает Джефф Марси из Калифорнийского университета в Беркли, чемпион по числу обнаруженных в дальнем космосе планет.

Под одну гребенку

Идея, что планеты зарождаются из вращающегося диска газа и пыли, легла в основу правил о том, как должна выглядеть любая звездная система. Во-первых, только плотные планеты, напоминающие Землю и Марс, могут занимать внутренние горячие области, близкие к звезде; местоположение гигантских планет типа Юпитера будет ограничено более холодными внешними областями, где лед, газ и пыль могут легко соединяться вместе и разрастаться, как снежный ком, до невероятных размеров. Во-вторых, гигантские планеты могут увеличиваться до размеров, не превышающих размеры Юпитера, прежде чем истощатся резервы газа и пыли. В-третьих, планеты должны иметь более или менее округлые орбиты в плоскости, близкой экватору звезды.

Открытие Лейтема более 20 лет назад опровергло все три правила. Первая экзопланета имела массу больше, чем у Юпитера, в 11 раз и при этом находилась очень близко к звезде. Она вращалась по орбите с очень большим экцентриситетом (т.е. то сильно удалялась, то сближалась со светилом), а сама ее орбита напоминала удлиненный овал, а не почти правильную окружность.



«Теоретики не были готовы со-гласиться с обнаруженными фактами», — говорит Леитем. В мае 1989 года он и его коллеги опубликовали посвященную открытию статью, где писали про обнаруженный объект весьма уклончиво: «Вероятно, это коричневый карлик», т.е. умирающая звезда (Nature, т. 339, с. 38).

Это событие стало первой каплей дождя перед бурей. В 1995 году Мишель Мэйор и Дидье Квелоз из Женевской обсерватории в Швейцарии обнаружили гигантскую газовую планету, по массе похожую на Юпитер, которая вращается по испепеляющей орбите вокруг подобной Солнцу звезды 51 в созвездии Пегаса, совершая вокруг нее полный оборот за 4 дня. СNature, т. 378, с. 355). В тот же год Марси со своим коллегой Полом Батлером из Университета Сан-Франциско (Калифорния, США) подтвердили это открытие, а также обнаружили еще два горячих Юпитера. Позднее в том же году они подтвердили, что и объект, открытый Лейтемом, — планета.

Совершенно ясно, что до этих событий был проигнорирован фундаментальный закон науки: нельзя судить о совокупности только по примеру одного ее члена. И это были лишь первые «ласточки», наводящие на мысль, что закономерности нашей Солнечной системы далеко не норма. Вскоре обнаружились и другие: одни планеты двигались по орбите в противоположном направлении относительно вращения их звезды, другие — по близко расположенным орбитам, подобно сардинам в банке, а третьи вращались по наклонным под большим углом к экватору их звезды.

Существует множество веских причин считать, что планеты вначале занимают круговые орбиты в одной плоскости, как думал еще Кант. Однако они не всегда на них остаются. Довольно быстро теоретики стали «поставлять» соответствующие «истории» того, как это могло бы происходить. Молодые планеты тянут к себе пыль, теряют скорость и скатываются по спирали к своей звезде, поглощаясь ею или становясь горячим юпитером. Иные могут вступать в гравитационную «борьбу» с другими планетами. При этом проигравшая планета будет вытолкнута в космос, а победитель останется на измененной, эллиптической орбите.

Существование таких беспокойных молодых планет вскоре заставит переписать историю и нашей Солнечной системы. Уран и Нептун слишком крупные планеты для своего положения на окраинах Солнечной системы, где медленно движущийся мусор замедлял бы процесс их формирования. Вполне вероятно, что они сформировались ближе к Юпитеру и Сатурну, а эти два гиганта вытолкнули их на нынешние орбиты. Такое противоборство могло привести к перемещению богатых водой комет в сухие внутренние области Солнечной системы, что может объяснять наличие массивных кратеров на Луне и, вероятно, даже океанов на Земле (New Scientist, английская версия, 25 ноября 2006, с. 40).

Связаны руки

И все же пока не хватает данных, чтобы окончательно определиться с тем, уникальна ли Солнечная система. Слишком уж ограничены методики наблюдений.

В самом начале поиск планет выполнялся доплеровским методом. С его помощью ищут изменения в движении звезд, вызываемые незначительным гравитационным влиянием планет. Наибольшее влияние исходит от крупных планет, вращающихся вблизи звезды, — поэтому в основном обнаруживались именно горячие юпитеры.

Свои трудности испытывает транзитная фотометрия — методика, впервые использованная в 2000 году двумя группами исследователей, участником одной из которых был Лейтем, а другой — Марси (The Astrophysical Journal, т. 529, с. L41 и L45). Если случается так, что планету при наблюдении с Земли можно увидеть на фоне звезды, то обнаруживается небольшое уменьшение света, исходящего от последней; планета затеняет звезду. С достаточной чувствительностью этот метод позволяет выявить твердые планеты небольшого размера в потенциально обитаемой области звездной системы, где может присутствовать жидкая вода. Обнаружение же планет любого размера во внешних областях звездной системы проблематично. В этих областях большое расстояние, разделяющее планету и звезду, снижает вероятность прохождения планеты по диску звезды, а большой промежуток времени между прохождениями делает наблюдение еще менее вероятным. Например, если смотреть извне Солнечной системы на Юпитер, то на фоне Солнца его можно увидеть лишь однажды в течение 12 лет.

Невозможность наблюдения внешних границ звездных систем — большое препятствие при поиске систем, где возможна жизнь. Скотт Гауди из Университета штата Огайо (США) утверждает: «Требуется добыть дополнительные данные с внешних границ звездных систем, если мы хотим понять, какие из них могут оказаться обитаемы». Кометы, «испускаемые» блуждающими гигантскими планетами, могли быть источниками воды, которая породила жизнь на Земле, но они также способны уничтожить любую жизнь, уже существующую на планетах внутренних областей. Обнаружение и классификация гигантских планет во внешних областях в других звездных системах будет существенным шагом вперед в понимании того, как происходят такие процессы.

Десять лет назад Гауди со своим коллегой Эндрю Гоулдом начали искать планеты, подобные Юпитеру, Сатурну, Урану и Нептуну, используя методику, названную гравитационной микрофокусировкой. Здесь используется предположение Эйнштейна, что массивные объекты искривляют ткань пространства. Если звезда проходит на фоне другой отдаленной звезды, то она, как линза, будет фокусировать ее свет. Если у ближней звезды есть планеты, то они будут давать меньшие вторичные фокусирующие эффекты, величина которых зависит от массы планет и их орбит.

Блуждающие гиганты

Шансы наблюдать этот эффект довольно низки; чтобы поймать эту редкую возможность, необходимо следить за крупными участками неба с сотнями и тысячами звезд, и только изредка его можно действительно соотнести с какой-нибудь планетой. В то же время весьма важно, что вторичный фокусирующий эффект достигает наибольшей величины, когда планета одновременно велика и удалена от своей звезды на достаточное расстояние, другими словами, похожа на Юпитер.



Первый анализ Гоулда и Гауди в 2000 году с использованием имеющегося на тот момент небольшого массива данных по микрофокусировке показал, что в том месте, где должны быть гигантские планеты, их нет. Затем были отслежены десятки миллионов звезд, что дало тысячи кандидатов на микрофокусирующие события. В январе прошлого года исследователи анонсировали результаты нового статистического анализа. Ученые заключили, что с учетом возможных вариаций расположения планет должно наблюдаться шесть систем, подобных нашей. Достоверно была обнаружена только одна — красный карлик с двумя внешними планетами, аналогичными Юпитеру и Сатурну.



Улучшение метода Доплера привело к более значительному результату: открыто около 20 экзопланет, имеющих размер и орбиту Юпитера. Но только у двух-трех из этих планет орбиты почти круглые. Оставшиеся являются эксцентрическими блуждающими гигантами, что делает существование жизни на них событием крайне маловероятным.

Все это делает статус Солнечной системы более ясным. Марси утверждает: «Система, подобная нашей — редкость в Галактике, больше в этом нет сомнений. Остается понять, — насколько большая редкость».

Ответ на этот вопрос может дать космический телескоп Kepler, запущенный в мае 2009 года. Его первые данные показывают, что звездная система, подобная Солнечной, — «труднодостижимое» состояние. Возьмем систему Kepler-11, открытую в феврале этого года (Nature, т. 470, с. 53). Шесть ее планет по размеру находятся в пределах между двумя и четырьмя размерами Земли, а пять из них имеют орбиты, сходные с орбитой Меркурия. На основании их размера и плотности создается впечатление, что все шесть планет состоят изо льда и газа, как если бы они сформировались вдалеке от своей звезды.



Как они столь грациозно мигрировали внутрь системы — загадка. Любые древние потрясения должны были бы привести к беспорядочному смещению орбит планет. Однако строение Kepler-11 еще более плоское, чем виниловая пластинка — гораздо более плоское, чем орбиты планет нашей собственной Солнечной системы, чьи орбиты находятся вблизи экватора Солнца и смещаются только в пределах 5 градусов в каждую сторону.





Таким образом, разнообразие звездных систем очень велико. Однако не время сдаваться в поисках системы, похожей на нашу, добавляет Марси. Чтобы телескоп Kepler «нашел» планету, необходимо, чтобы она пересекла диск своей звезды три раза. Учитывая время планируемой эксплуатации телескопа (три с половиной года), такая планета, как Земля, успеет это сделать. Однако аналогу Юпитера потребуется 36 лет, Сатурна — 90 и еще больше уранам и нептунам. Если бы мы исследовали Солнечную систему извне, то мы бы все еще не обнаружили большую часть ее планет.

«Система, подобная нашей, — редкость в Галактике, больше в этом нет сомнений. Остается понять — насколько большая редкость»