Тридцать три богатыря…
Сейчас самое время подвести промежуточные итоги исследования внесолнечных планет — на данный момент их открыто ровно тридцать три, и чуть позже пушкинскую строчку, наверное, уже нельзя будет использовать. Если же говорить серьезнее, то материал, собранный астрономами, изучающими эти планеты, уже достиг того объема, который позволяет высказать некоторые обобщения, проливающие определенный — новый — свет на давние загадки планетарной астрономии.
Эта часть астрономии изучает закономерности образования планет, и, понятно, ничто так не затрудняет открытие «закономерностей», как необходимость все время оперировать одним-единственным примером. Между тем на протяжении тысячелетий и вплоть до недавних пор наша Солнечная система оставалась именно таким единственным примером планетной семьи. Поэтому можно представить себе возбуждение астрономов при вести об открытии первой внесолнечной планеты, потом еще нескольких, а затем — нескольких десятков последующих.
Первое открытие было сделано в 1995 году, когда Мэйор и Квелоз обнаружили «покачивания» в траектории звезды 51 в созвездии Пегас. Правильно рассудив, что подобные микроотклонения от прямолинейной траектории могут быть вызваны только гравитационным притяжением планеты, обращающейся вокруг этой звезды, они подсчитали, какой должна быть масса и орбита такой невидимой планеты. Искомая масса оказалась больше массы Юпитера — самой большой планеты Солнечной системы, зато орбита, напротив, поразила астрономов своим полным несходством с орбитой Юпитера и других гигантов нашей планетной семьи. В то время как эти газовые гиганты — Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун — обращаются вокруг Солнца далеко за орбитами «малых планет» (Меркурия, Венеры, Земли и Марса), новооткрытая внесолнечная планета-гигант обращалась вокруг своей звезды по орбите… Меркурия, на расстоянии всего 0,05 астрономической единицы, это всего 7,5 миллионов километров, то есть в астрономических масштабах практически над самой поверхностью звезды.
Почти тотчас и точно тем же способом была обнаружена и вторая внесолнечная планета, ее открыли Марси и Батлер, которые с этого момента и надолго захватили лидерство в гонке за новыми небесными телами (из тридцати трех планет, открытых на данный момент, на их счету около двух десятков). Затем открытия посыпались как из рога изобилия и стали постепенно разрушать некоторые из давно утвердившихся, привычных представлений планетарной астрономии. Одним из таких фундаментальных представлений был тезис об обязательном, почти круговом характере планетных орбит (в действительности планеты обращаются вокруг Солнца по эллипсам, но эти эллипсы на практике близки к окружностям).
Обязательность таких траекторий проистекала из общепринятых представлений о формировании планет. Считается, что планетная семья, равно как и ее центральная звезда, образуется из первичного газопылевого дисковидного облака, медленно вращающегося вокруг своей оси. Звезда образуется благодаря постепенному стягиванию, сгущению центральной части диска, а планеты — за счет сгущений его наружных кольцевых слоев и последующих многократных соударений и слипаний протопланетных глыб. При этом трение в таком диске обязательно стабилизирует новообразовавшиеся планеты на почти круговых орбитах.
Однако орбиты большинства найденных до сих пор внесолнечных планет (18 из 33) оказались крайне далекими от круговых. Эти планеты (их орбиты, кстати, являются самыми большими из всех обнаруженных) обращаются вокруг своих звезд по весьма вытянутым, резко эллиптическим траекториям, длинная полуось которых почти в два раза больше короткой (у солнечных планет эти полуоси практически одинаковы). В сущности, эти орбиты напоминают не планетные, а кометные. Известно, что кометы потому так редко появляются около Солнца, что движутся по очень вытянутым орбитам, крайние точки которых находятся далеко за орбитами планет-гигантов. Между тем кометы — такие же порождения первичного газопылевого диска, как и сами планеты, и потому должны были бы, на первый взгляд, двигаться по почти круговым орбитам.
Астрономы полагают, что это различие вызвано тем, что кометы были вышвырнуты на свои нынешние вытянутые орбиты в результате гравитационных «толчков», которые они получали от планет, когда подходили к ним слишком близко. Открытие внесолнечных планет, движущихся по резко эллиптическим орбитам, показало, что аналогичные толчки могут получать и сами планеты в результате их гравитационного взаимодействия.
Обсчитывание моделей, в которых две воображаемые планеты образовались слишком близко друг от друга (на расстоянии в несколько астрономических единиц), выявило, что их взаимодействие приведет к тому, что одна из них будет неизбежно отброшена на внешнюю периферию своей системы, тогда как другая столь же неизбежно начнет по спирали приближаться к своей звезде. При таком спиральном движении эта вторая планета обязательно потревожит все прочие планеты системы, более близкие к звезде, и исказит их орбиты. Скорее всего, это и является причиной, по которой большинство внесолнечных планет движется по искаженным, вытянутым орбитам.
Приходится заключить, что нам, в нашей Солнечной системе, еще повезло: наши планеты-гиганты, видимо, образовались в несколько ином расположении. Напомним, однако, что некоторое время назад было показано, что по меньшей мере два околосолнечных гиганта — Нептун и Уран — образовались не на тех орбитах, где находятся сейчас, а были вытолкнуты на них гравитационным воздействием Юпитера и Сатурна. Стало быть, и наша Солнечная система подвержена тем же общим закономерностям, что остальные, она в этом отношении типична.
Повсюду в космосе образование планет и формирование их орбит оказывается хаотическим и катастрофическим процессом: хаотическим в том смысле, что его исход крайне резко зависит от самых ничтожных на первый взгляд изменений в начальных условиях, и катастрофическим, потому что по большей части он сопровождается разрушением уже сложившихся планетных орбит и вышвыриванием малых планет типа Земля (а комет — подавно) за пределы всей системы. Это объясняет происхождение тех «блуждающих в космосе», «бездомных» планет, о которых уже не раз писалось. В одной только нашей галактике, Млечном Пути с его двумястами миллиардами звезд (!) таких бездомных скитальцев могут быть миллиарды.
Нам, однако, посчастливилось: в нашей Солнечной системе хаотические и катастрофические взаимодействия затронули только дальние планеты, газовые гиганты, сдвинув их наружу от места образования, но не оказав разрушительного влияния на малые, более близкие к Солнцу планеты. Более того, все планеты нашей системы, в том числе, конечно, и Земля, сохранили почти круговые орбиты. Для существования жизни на Земле это имело решающее значение: даже если бы наша планета была не то что вышвырнута в космос, но даже просто перешла на сильно вытянутую, кометного типа орбиту, возникновение жизни на ней было бы, пожалуй, невозможно. Видимо, стабильные круговые орбиты, характерные для планет Солнечной системы, — весьма не частое явление в космосе. Из-за начальной хаотичности любой планетной системы, то есть резкой зависимости ее будущего от начальных условий, такой «почти идеальный» конечный результат, как в нашей семье планет, требует исключительного сочетания исходных обстоятельств.
До сих пор мы говорили только об орбитах. Но у планет есть еще и такая характеристика, как масса, и открытие свыше тридцати внесолнечных планет позволяет ответить на вопрос, является наша Солнечная система типичной или не типичной в этом отношении. Из 33 новооткрытых планет 29 обнаружено около обычных звезд и четыре остальных — вблизи так называемых пульсаров (сверхмассивных «нейтронных» звезд, обладающих крайне быстрым вращением). Если расположить массы этих двадцати девяти планет (измеренные в массах Юпитера) в рамках некой гистограммы, то выявится интересная закономерность. Прежде всего, оказывается, что все новооткрытые планеты в несколько раз массивнее Юпитера. Но это пока лишь кажущаяся закономерность.
Дело в том, что нынешние методы обнаружения чувствительны лишь к достаточно массивным планетам — в три-пять и более масс Юпитера (которые оказывают достаточно сильное гравитационное воздействие на свою звезду, чтобы его заметить). Кроме того, эти методы позволяют легче всего найти планету, время обращения которой вокруг звезды составляет три или менее года (период «покачиваний» звезды относительно ее прямолинейной траектории совпадает с периодом обращения планеты, и при более длительных периодах «покачивания» происходят весьма редко, поэтому обнаружить их труднее). Короче говоря, нынешние методы не позволяют обнаружить планету с массой Нептуна, не говоря уже о планете типа Земли. Но если присмотреться к гистограмме, то видно, что наибольшее число новых планет концентрируется на ней как раз около самых малых значений массы. Иными словами, чем меньше масса искомой планеты, тем больше таких планет — число планет возрастает с уменьшением их массы.
Вот это реальная и крайне важная закономерность. Она говорит, что все доныне открытые внесолнечные планеты — скорее всего, только самые большие из существующих, а значит, можно ожидать, что в каждой из исследованных звездных систем (и в неисследованных, разумеется, тоже) на каждую такую планету-гиганта наверняка приходится несколько менее массивных.
Один из главных первооткрывателей внесолнечных планет, американский астроном Джефф Марси охарактеризовал ту же закономерность несколько иначе: «Это подобно разглядыванию каменистого пляжа с большого расстояния — поначалу видны только самые большие камни, планеты размером с Юпитер и больше. Но потом, приблизившись, то есть вооружившись более мощными методами наблюдения, можно надеяться различить и булыжники поменьше — планеты размером с Сатурн и меньше. Увы, различить планеты размером с Землю мы пока не можем, это было бы то же самое, что увидеть на таком пляже мелкую гальку».
Эти рассуждения подкрепляют надежду, что открытые доныне внесолнечные планеты около других звезд — лишь самые крупные члены планетных семей, подобных нашей Солнечной системе, то есть содержащих и «малые» планеты. Тем не менее это всего лишь рассуждения, и вплоть до последнего года астрономы не имели никаких прямых доказательств существования планетных семейств. Однако в 1999 году Марси и Батлер обнаружили первую такую семью около солнцеподобной звезды Эпсилон Андромеды, на расстоянии «всего» сорока четырех световых лет от нас.
История этого открытия интересна сама по себе. Первую из трех планет Эпсилон Андромеды астрономы открыли еще в 1996 году. Она оказалась одной из самых маленьких среди всех внесолнечных планет (0,7 массы Юпитера) и поразительно близкой к своей звезде — период ее обращения вокруг нее составляет всего 4,6 дня! Последующие длительные наблюдения позволили установить, что дополнительных планет две: одна с массой вдвое больше Юпитера обращается по очень вытянутой орбите с периодом 241 день, а третья, в четыре раза массивнее Юпитера, расположена еще дальше — она движется вокруг звезды по резко эллиптической орбите с периодом 3,5 года.
Дополнительная важность этого открытия состоит в том, что впервые в одной и той же системе обнаружены планеты двух типов — вращающиеся по практически круговой орбите, но крайне близко к своей звезде, и обращающиеся вокруг звезды по резко вытянутым орбитам, но далеко. До сих пор около каждой звезды обнаруживалась лишь планета одного или, наоборот, другого типа. Оказывается, могут возникать планетные системы, содержащие оба типа планет одновременно. Означает ли это, что и около других, уже обследованных звезд есть такие же системы? Вряд ли. Обследование проводилось очень тщательно, и никакие намеки на дополнительные «покачивания» у других звезд не были обнаружены. Но это не исключает возможности обнаружения таких «смешанных» систем в будущем около других звезд. Если бы в руках исследователей уже была законченная теория образования планетных систем, можно было бы сказать, являются ли такие «смешанные» планетные семьи исключением или правилом. Но такой теории пока нет — как раз поиск и изучение внесолнечных планет должен и может дать материал для ее построения.
В настоящее время такой поиск расширен уже на тысячу солнцеподобных звезд. Вводимые в ближайшее время в строй новые приборы для обнаружения и измерения «покачиваний» (интерферометры) будут обладать такой чувствительностью, что смогут обнаруживать планеты с массой Сатурна или Нептуна. В более отдаленном будущем (между 2006 и 2008 годами) должны быть выведены на орбиту (то есть за пределы помех земной атмосферы) «космические интерферометры», позволяющие обнаруживать даже планеты с массой в пять масс Земли. А на 2010 год запланирован запуск космического исследовательского корабля с приборами, которые смогут напрямую детектировать планеты величиной с Юпитер и Землю. (На нынешний день единственное прямое наблюдение юпитероподобной планеты удалось произвести благодаря ее прохождению — в виде темной точки — перед диском своей звезды; это, кстати, подтверждает, что все планеты, обнаруженные косвенным путем, по «покачиваниям», столь же реальны.) Люди XXI века еще увидят небо в планетах.
P.S. В конце марта нынешнего года Марси и его коллегам Батлеру и Фогту удалось наконец обнаружить давно ожидавшиеся внесолнечные планеты размером и массой с наш Сатурн, что в три-четыре раза меньше Юпитера. Сообщение об этом опубликовало американское Управление космических исследований.
Обнаружение двух новых внесолнечных планет стало возможным благодаря непрерывному усовершенствованию методов регистрации небольших «покачиваний» звезд относительно их прямолинейной траектории, «покачиваний», вызванных гравитационным притяжением планет-спутников. Чем меньше такая планета, тем меньше, разумеется, вызванные ею покачивания. Нынешнее открытие было сделано на основании поистине «микроскопических» отклонений звезды от ее движения — около двенадцати метров в секунду! Это при том, что за эту же секунду звезда пролетает по своему пути несколько километров! Такую высокую точность позволил получить сверхмощный, самый большой в мире телескоп обсерватории Кек, что на острове Мауна-Кеа на Гавайях.
Сообщение означает, что перейден принципиально важный рубеж. Открыт путь к поиску все меньших и меньших планет. И теперь не исключено, что мы еще можем стать свидетелями того, что вблизи далеких звезд будут обнаружены первые землеподобные планеты, то есть небесные тела, способные стать колыбелью жизни.
