Экзопланеты — это планеты, обращающиеся вокруг других звезд. Как только возникли идеи о том, что звезды ночного неба — это далекие солнца, стали рассуждать о возможности существования планет вокруг них и жизни на этих телах. Однако одно дело — рассуждать, а другое — обнаружить. Поскольку планеты гораздо легче звезд и излучают меньше света, открыть их очень и очень трудно. Несмотря на отдельные попытки, успех пришел только в конце XX века.

К концу 80-х годов сразу несколько методик наблюдения достигли нужной точности, и в начале 90-х экзопланеты начали открывать. Сейчас известно несколько тысяч планет, и их количество растет. Оказалось, что другие планетные системы и их члены могут существенно отличаться от того, что мы видим в нашей системе. Открылась бездна, экзопланет полна. И теперь надо разбираться, как все эти объекты устроены, как они сформировались, как они будут эволюционировать. Об этой, возможно, самой «живой» области астрофизики наш курс.

Лекция №1: Как регистрируют экзопланеты?

Как только люди стали догадываться, что звезды — это далекие солнца, появилась естественная идея: раз вокруг нашего Солнца крутятся планеты, значит, должны существовать планеты и вокруг других звезд. Сейчас именно такие планеты мы называем экзопланетами — extra solar planet (внесолнечные планеты). И в принципе люди давно начали думать, как можно открыть планеты у других звезд. Это трудно сделать по двум причинам: во-первых, сама планета маленькая, светит очень плохо и только отраженным светом, заметить ее трудно, еще труднее ее заметить, потому что она находится рядом с очень яркой звездой. Очень часто бывает так, что мы могли бы увидеть саму экзопланету, если бы она с точно таким же блеском была в пустом месте, но яркий свет очень близко находящейся звезды мешает нам это сделать.

Вопрос о том, какая экзопланета была открыта первой, достаточно сложный. На него просто нет четкого ответа. С одной стороны, мы можем сказать, что первая экзопланет вокруг звезды, в чем-то подобной Солнцу, была открыта в 1995 году — надежное открытие экзопланеты у звезды солнечного типа. Однако в 1992 году с помощью совершенно другой методики люди обнаружили несколько экзопланет, но не вокруг обычной звезды, а вокруг нейтронной звезды — радиопульсара. Кто-то считает, что начиная с этого момента можно отсчитывать экзопланетную историю, кто-то считает, что это все-таки совсем другие звери, потому что и звезда не похожа на Солнце, и планеты, скорее всего, образовались после вспышки сверхновой из того вещества, которое было выброшено сверхновой звездой. Но даже на этом история не заканчивается. В 1988 году появилось заявление группы астрономов о том, что они, возможно, открыли экзопланету, но точности наблюдения не хватало. И только спустя примерно 15 лет это открытие было подтверждено, когда счет планетам уже шел на многие десятки. Так что, с одной стороны, можно говорить, что в 1988 году была открыта первая экзопланета, но никакой уверенности не было. И на этом история не заканчивается. В 1989 году люди заявили о том, что они совершенно точно видят маломассивный спутник у нормальной звезды, подобной Солнцу. Но сложность в том, что нужно определить, что такое планета. Есть планеты, есть звезды, между ними есть еще один тип объектов, которые называют бурыми карликами — они тяжелее планет, но легче звезд, там идут термоядерные реакции, но это не реакции превращения водорода в гелий, которые позволяют нормальным звездам излучать много энергии. Так вот, до сих пор мы не знаем, является ли открытый в 1989 году объект очень тяжелой экзопланетой или очень легким бурым карликом. Так что история является довольно запутанной. Удивительно то, что в 1980–1990-е годы одновременно несколько методов позволили открывать экзопланеты. Довольно удивительное совпадение. Об этих разных методах и поговорим.

Первый метод

Первая надежная экзопланета у звезды типа Солнца была открыта таким способом: обычно, если мы подойдем к кому-нибудь на улице и спросим: «Что вокруг чего вращается: Земля вокруг Солнца или Солнце вокруг Земли?», если нам ответят: «Земля вокруг Солнца», мы кивнем, а если скажут: «Солнце вокруг Земли», мы будем показывать пальцем и смеяться, но мы можем нарваться на ответ, что и то и другое вращается вокруг общего центра масс. И это действительно правильный ответ! Мы часто не задумываемся над тем, что Земля притягивает нас, но мы притягиваем Землю с точно такой же силой. Просто Земля очень тяжелая, и мы, попрыгав, незначительно смещаем Землю, но если это повышает вашу самооценку, то, действительно, прыгая, вы немного смещаете Землю. Точно так же планета, вращаясь вокруг звезды, немного заставляет звезду двигаться, и это можно заметить. Люди это поняли довольно давно. Что хотелось наблюдать? Мы получаем спектр звезды с очень высокой точностью, мы видим спектральные линии, если звезда движется к нам, то все линии смещаются в синюю область спектра, если от нас, то в красную. Это в простейшем случае, когда есть звезда и есть одна планета или, если угодно, самая тяжелая. Если смотреть на Солнечную систему издали, то Юпитер больше влияет на Солнце, чем все другие планеты. Мы бы видели, что с периодом обращения Юпитера Солнце то приближается к далекому наблюдателю, то удаляется, и по строгой периодичности процесса мы смогли бы догадаться, что это действительно какой-то невидимый спутник, а не, например, пульсация Солнца или что-то еще. Так вот, нужно было научиться очень точно измерять эти скорости и, кроме того, делать это долгое время. В чем проблема со временем? Например, у вас есть часы, которые идут очень точно. Скажем, уходят за сутки меньше чем на одну секунду. Хорошо. Проходит год. Можете ли вы, не подводя часы, — например, вы сидите на необитаемом острове и никаких средств связи у вас нет — все равно точно определять время с точностью в одну секунду? Казалось бы, допустим, они у вас на секунду отстают. Прошел год. Вы 365 секунд отсчитали и опять думаете, что знаете время с точностью до секунды. Это совсем не так, поскольку могут быть какие-то неоднородности хода. Это не всегда ровно секунда за сутки. Тоже самое с измерением спектров. Наконец, в конце 1980-х годов люди научились решать эту проблему в 1995-м, именно таким способом была открыта первая экзопланета. Тогда люди измеряли скорости порядка 5–10 метров в секунду. По современным меркам это довольно много.

Второй метод

Второй способ открытия экзопланет. Представим, что в какой-то момент планета проходит точно между нами и звездой. Примерно так же, как, наблюдая Солнце, мы раз в довольно большое время видим, как Венера или Меркурий проходят по диску Солнца. Что при этом будет происходить? Мы не видим планеты, мы не видим никакого темного пятна на звезде, но мы видим, что блеск звезды немного уменьшился. Диск звезды яркий, а планета темная. Представим себе, что мы наблюдаем звезду и точно измеряем ее блеск. Мы не видим диска звезды, не видим никаких деталей, но, измеряя блеск с высокой точностью, мы видим, что вдруг блеск немного падает. Действительно немного — это может быть одна десятитысячная или несколько десятитысячных. Если это происходит периодически, то единственно разумная причина — это прохождение планеты по диску звезды. Такие планеты называют транзитными, а само явление — транзитом, и это очень хороший способ открытия экзопланет. Сложность состоит только в том, что нужно долго и очень точно измерять их блеск. И на Земле нам начинает мешать атмосфера. Поэтому такие наблюдения обычно проводят из космоса. Телескоп, который запускается в космос, может быть даже не очень крупным. Важно, что он может измерять блеск звезд с высокой точностью, потому что ему не мешает атмосфера. Именно таким способом спутник Kepler уже достаточно надежно открыл почти тысячу экзопланет. Есть несколько тысяч очень надежных кандидатов, из которых 90% с течением времени будет подтверждено. Сейчас это два основных способа открытия экзопланет, но есть еще несколько довольно интересных.

Третий метод

Третий способ связан с таким очень красивым явлением, как гравитационное линзирование. Все хорошие современные теории гравитации, включая общую теорию относительности, — это геометрические теории гравитации, там можно особенно наглядно объяснить этот эффект линзирования. Тяжелые тела искажают пространство вокруг себя, и это, изображая черные дыры, рисуют в виде такой ямы на плоскости, на которой нарисована прямоугольная сетка. Свет, двигаясь по такому пространству (прямо представим себе эту плоскость, по которой движется свет), почувствует эту яму, он будет отклоняться. Таким образом, любое тяжелое тело эффективно работает как собирающая линза, то есть если мы смотрим на какую-то далекую звезду, измеряем ее блеск, между нами и звездой пролетает любое массивное тело, другая звезда, нейтронная звезда, черная дыра — что хотите, то блеск звезды немного возрастет. Допустим, пролетает другая звезда, мы видим, что возрастает блеск звезды, и вдруг на кривой блеска мы видим еще один дополнительный «пичек», есть вторая маленькая линзочка. Таким способом открывают планеты, которые вращаются вокруг звезд. Та звезда, которая является линзой, обладая планетой, даст дополнительный «пичек». Это очень хороший способ регистрации планет, потому что таким образом можно регистрировать довольно далекие планеты. Смотрите, в чем проблема: если мы измеряем скорости или измеряем транзиты, нам нужно несколько попыток, чтобы убедиться, что эффект есть, что это не какие-то случайные пульсации звезды, не какое-то пятно появилось на звезде, как солнечные пятна, а процесс периодический. Наблюдая 5 лет, вы не можете открыть планету с периодом обращения 6 лет, а, наблюдая событие пролинзированием, вы сразу можете открыть планету, у которой период обращения вокруг звезды составляет годы или десятки лет, сколько хотите, поскольку этот метод никак не завязан на повторяемость, поэтому он хорошо дополняет первые два.

Четвертый метод

Следующий метод обнаружения экзопланет связан с наблюдениями каких-либо периодических процессов. Представьте, что у вас есть часы, они должны идти точно, а вы видите, что они периодически сбиваются. Если это механические часы, вы можете заподозрить, что внутри что-то лишнее, что-то мешается. Смазывали часы маслом, и туда попали хлебные крошки, и теперь шестеренки не так хорошо крутятся или у вас там завелись тараканы, которые периодически мешают шестеренкам двигаться. Точно так же, если есть какой-то периодический процесс в звездной системе, например есть двойная звезда (две звезды крутятся друг вокруг друга), и происходит затмение, блеск периодически меняется. Это должен быть очень строгий периодический процесс. Мы наблюдаем и видим, что иногда происходят сбои. Чем это объяснить? Каким-то лишним телом в системе. Вы можете промоделировать эту систему и определить массу этого лишнего, мешающегося тела. Если она оказывается планетной, значит, вы открыли планету. И таким способом открывают довольно необычные планеты. Например, есть такая планета, пульсар, вокруг него вращается белый карлик, а вокруг всей этой системы вращается планета, то есть по наблюдению пульсара удалось понять, что кроме невидимого белого карлика есть еще один лишний компонент — планета, которая крутится вокруг всей этой красивой пары.

Пятый метод

Следующий способ. Вспомним о самом первом — об изменении скоростей. Итак, звезда совершает движение вокруг общего центра масс. Мы можем прямо увидеть это движение. Если мы очень точно измеряем координаты звезды, представьте себе изображение звезды и крестик, который точно измеряет ее положение. Померили сегодня, померили через полгода и увидели, что звезда сместилась. Померили еще через полгода, и еще, и еще — увидели, что это периодическое движение. Таким способом люди открывали невидимые спутники. Например, самый первый белый карлик, спутник самой яркой звезды ночного неба Сириуса, был открыт таким способом. Мы увидели, что Сириус движется и имеет невидимого компаньона, но белый карлик — тяжелый объект, он может иметь массу, равную половине массы Солнца или равную ей. Найти таким способом экзопланету трудно, но в принципе можно. Кстати, еще сотни лет назад люди заявляли, что они видят движение звезд соответствующим маленьким спутникам, потом, к сожалению, оказалось, что это было связано с какими-то неточностями наблюдений, с какими-то ошибками, но сейчас запущен спутник Гая, который специально предназначен для того, чтобы с очень высокой точностью измерять положение огромного количества звезд. Он не предназначен для поиска экзопланет, но нет никаких сомнений, что побочным результатом работы спутника Гая будет обнаружение порядка тысячи экзопланет.

Шестой метод

Наконец, мы подобрались к самому понятному способу открытия экзопланет, как пишут средства массовой информации скупой журналистской строкой, — «астрономы увидели». Действительно, в некоторых случаях мы можем прямо увидеть экзопланету, но, прежде чем мы перейдем к этому, есть еще два способа, похожие на «увидеть». Мы можем не прямо увидеть, но выделить свет экзопланеты. Часто экзопланету довольно много излучают. Например, экзопланета может быть довольно близка к звезде и нагрета до высокой температуры или она только образовалась и продолжает сжиматься и у нее есть свой источник энергии. Тогда, имея событие вроде транзитов, мы будем видеть, что меняется суммарный блеск системы или планета будет иметь фазы, как, например, Венера, и мы будем видеть, что меняется суммарный блеск всей системы. Таким образом мы выделим лишний свет и сможем приписать его невидимой экзопланете. Похожий способ — это увидеть какие-то детали в спектре, несвойственные звездам. Они будут периодически двигаться, появляться, исчезать, и мы тоже можем их приписать экзопланете, тоже выделить ее свет.

И наконец, действительно последний, самый красивый способ — это получение прямых изображений. Сейчас есть несколько десятков хороших прямых изображений экзопланет, когда мы действительно видим эти объекты и в редких случаях прямо видим, как по мере наблюдений экзопланета смещается по своей орбите.

Таким образом, существует несколько красивых, в разной степени надежных способов открытия экзопланет, которые в целом прекрасно дополняют друг друга.

Сергей Попов — доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник ГАИШ МГУ

Курс полностью