Валентин Урбан: aby se napít, známky a extáze Голосов: 1 Адрес блога: http://dubva1.livejournal.com/ Добавлен: 2008-08-04 10:21:30 блограйдером pinker

Экзопланеты

2011-11-21 09:14:04 (читать в оригинале)

Научные прогнозы, которые сводятся к известному «Этого не может быть, так как этого не может быть никогда», часто лишаются смысла уже в момент произнесения





Вкруг солнц, бессчетных и схожих // C огнистым улеем, там, в высоте, // В сверкании пространств прохладных, // Крутятся, впивая чудный свет, // Рои катастрофических планет.



Эмиль Верхарн, цикл «Вечера» (в переводе В. Брюсова)


В 1842 году французский мыслитель Огюст Конт во 2-ой книжке «Курса положительной философии» назначил, что «химический и минералогический» состав звезд навеки остается потаенной для науки. Меж тем 30 годами ранее германский физик Йозеф Фраунгофер нашел в диапазонах излучения неких звезд соответствующие черные полосы, которые, как мы на данный момент знаем, представляют собой подпись частей, входящих в состав их атмосфер.


В те времена, когда создатель этой статьи посещал астрономический кружок Столичного планетария, в фаворитных книгах утверждалось, что при помощи земных телескопов нельзя найти ни единой внесолнечной планетки. В 1990-е годы это пророчество рассыпалось в пух и останки, хотя научные способы, которые дали возможность его опровернуть (сначала радиоастрономические наблюдения, а позднее доплеровский анализ спектральных линий), были сделаны еще ранее.


К концу 2008 года было понятно около 310 так именуемых экзопланет, обращающихся вокруг звезд нашей Галактики. Нет колебаний, что планетными свитами владеют и светила из других галактик, просто их еще не нашли из-за больших расстояний. Беря во внимание, что 1-ый спутник обыкновенной звезды был официально открыт всего 13 годов назад, приходится признать, что с самого начала отлов экзопланет взял очень высочайший темп. А так как в последние годы экзопланеты обычно находят в процессе автоматического сканирования ночного небосклона (техника которого совершенствуется не по денькам, а по часам), число таких открытий имеет шансы существенно возрости уже в последнее время.


Узреть либо угадать?


Самый обычный метод поиска экзопланет – прямое наблюдение. Конкретно так в свое время находили околосолнечные планетки, лежащие за Сатурном: довольно легко глядеть в телескоп (поточнее, рассматривать оцифрованные звездные снимки). В принципе (а с недавнешнего времени и на практике) это полностью решаемая задачка – был бы телескоп помощнее да матрица почувствительней.


Но шансы на фуррор невелики. Скажем, для звезды солнечного типа на расстоянии 15 световых лет от нас, вокруг которой на расстоянии примерно 5 астрономических единиц обращается газовый гигант размером с Юпитер. На земном небе угловое расхождение меж таковой звездой и ее спутником составит примерно одну угловую секунду, что полностью доступно современным телескопам. Но вот неудача – контраст маловат. В оптическом диапазоне мощность звездного излучения превосходит отраженный планетарный блик в млрд раз, а в ИК-диапазоне – в миллион. Потому подобные открытия пока вероятны только в исключительных случаях. В 2004 году один из восьмиметровых телескопов Южной Европейской обсерватории зафиксировал планетку с массой в 5 Юпитеров, обращающуюся вокруг кофейного лилипута 2М 1207 (70 парсеков от Солнца) на расстоянии 2-ух радиусов орбиты Нептуна (55 астрономических единиц). Но французским и южноамериканским астрологам, которые год спустя выпустили сообщение об этом открытии, крупно подфартило. Материнская звезда в этом случае светит так слабо, что инфракрасный контраст меж ее излучением и планетарным светом составляет всего 100:1. 1-ая в истории «прямая» фото звездно-планетной пары (вобщем, изготовленная при помощи адаптивной оптики) полностью заслуженно попала на странички газет. Потом при помощи инфракрасной фото удалось отыскать еще несколько кандидатов в экзопланеты (по различным оценкам, от 5 до 7). А в ноябре 2008 года южноамериканские астрологи сказали о первой идентификации ранее неведомой экзопланеты на фотоснимках в видимом свете (это небесное тело с массой от половины до 3-х масс Юпитера обращается вокруг возлюбленной фантастами звезды Фомальгаут из созвездия Южной Рыбы). Вобщем, можно возлагать, что новые изображения такового рода в последующем десятилетии принесет орбитальный телескоп James Webb и еще пока не построенные наземные телескопы особо большого калибра.


Неудачливая астрометрия


В существовании экзопланет можно убедиться косвенными способами. Об их наличии свидетельствуют как аномалии движения материнских звезд, так и специальные особенности их излучения.


Движением светил на земном небосклоне занимается древная ветвь астрономии – астрометрия. Этой науке по силам отыскивать звездные спутники-невидимки: звезда, владеющая галлактическим компаньоном, и ее спутник обращаются вокруг общего центра тяжести, и смещение звезды при наличии прецизионной угломерной аппаратуры можно зарегистрировать. Легче всего найти планетку, если звезда обладает приметным своим движением (сдвигается на земном небосклоне относительно других звезд). Еще в 1844 году германский астролог Фридрих Бессель сделал вывод, что мелкие аберрации собственного движения Сириуса указывают на наличие у него спутника. Правда, им оказалась не планетка, а звезда – поточнее, белоснежный лилипут (2-ой по счету в истории астрономии), – которую спустя 18 лет разглядел в телескоп янки Алван Кларк.


Внесолнечные планетки начали систематически находить конкретно астрометрическими способами. Первым в данном деле стал переселившийся в США голландец Пиет Ван де Камп. В 1938 году он стал временами фотографировать несколько специально избранных звезд на 61-сантиметровом телескопе Спроуловской обсерватории в штате Пенсильвания. Шестью годами позднее он заявил об открытии необычного небесного тела, которое при желании можно было счесть кандидатом на роль экзопланеты.


Вышло это так. Де Кампа в особенности заинтриговала мерклая звезда в созвездии Змееносца, которую в 1916 году прославил на весь мир южноамериканский астролог Эдвард Эмерсон Барнард. На базе долголетних наблюдений он показал, что этот красноватый лилипут обладает рекордным своим движением, раз в год смещаясь на 10,3 угловой секунды. К тому же он размещен очень близко к Солнцу, всего 5,96 светового года (поближе только Альфа Центавра). Де Камп полностью разумно решил выискать планетную свиту звезды со настолько уникальными чертами и скоро пришел к заключению, что не ошибся. В 1944 году он доложил на заседании Южноамериканского философского общества, что звезда Барнарда обладает несветящимся компаньоном, масса которого в 60 раз больше массы Юпитера. Для планетки много, а для звезды недостаточно. Де Камп показал осторожность и именовал свое гипотетичное тело просто объектом промежной массы.


Де Камп не первым выступил с схожим анонсом. В 1943 году его сотрудник по Спроуловской обсерватории Кай Ааге Стрэнд и астрологи из обсерватории Маккормака Дирк Рейл и Эрик Холмберг сделали подобные заявления. Стрэнд сказал об открытии у звезды 61 Лебедя приятеля массой в 16 Юпитеров, а Рейл и Холмберг нашли тело в полтора раза легче, принадлежащее двойной звездной системе 70 Змееносца. Но эти заявки не удалось подтвердить, и создатели от их отказались. А вот де Камп не сдался. В 1963 году он сказал, что полностью уверен в наличии у звезды Барнарда прохладного спутника, но понизил его массу до 1,6 юпитерианской. Чуток позднее он подарил ей еще одну планетку наименьшего калибра. Но с течением времени эти выводы были не раз опровергнуты и планетки де Кампа пополнили перечень астрономических заблуждений. Подобная судьба поняла еще 1-го южноамериканского астролога – Джорджа Гэйтвуда. Приходится признать, что астрометрия пока не принесла для поиска экзопланет полезности.


1-ые успехи: радиопоиск


1-ый фуррор в поиске экзопланет достался не оптике, а радиотехнике. Вобщем, это естественно. Как понятно, в космосе хватает источников строго повторяющихся радиосигналов – радиопульсаров (это стремительно крутящиеся нейтронные звезды, владеющие сильным магнитным полем). Генерируемые на их магнитных полюсах массивные направленные пучки радиволн обрисовывают в пространстве конические поверхности. Если на таковой поверхности оказывается наша планетка, луч пересекает ее на каждом обороте. Излучение регистрируют на Земле в виде повторяющихся импульсов, из-за чего и сами источники именуют пульсарами. Если вокруг пульсара обращаются планетки, то они своим притяжением немножко меняют нрав его вращения и вызывают осцилляции принимаемого на Земле радиосигнала.


Планетные свиты находили у пульсаров с начала 1970-х. Но исключительно в 1992 году работавшие в США поляк Александр Волщан и канадец Дэйл Фрей доказуемо нашли две планетки, обращающиеся вокруг миллисекундного пульсара PSR 1257+12, отдаленного от Солнца на 980 световых лет. Позднейшие вычисления проявили, что планет не две, а три. Самая легкая из их в два раза тяжелее Луны, массы других равны 4,3 и 3,9 массы нашей планетки. Естественно, они не годятся на роль прибежища жизни хоть какого мыслимого типа.


Судя по всему, пульсары не богаты планетками. Во всяком случае, позже радиоастрономам удалось найти только еще 1-го представителя этого семейства. Им оказался пульсар PSR 1620-26, вокруг которого обращается тело массой в два с половиной Юпитера. И совсем разумеется, что аппаратура, при помощи которой были изготовлены эти открытия, работает только для пульсаров и не годится для поиска несветящихся спутников обыденных звезд.


Доплеровская спетроскопия


Астрометрические способы в принципе (но пока не на практике) позволяют обнаруживать экзопланеты по смещениям двумерных траекторий звезд на небесной сфере. Потому они должны дать наибольший эффект в случае, если плоскость планетной орбиты перпендикулярна лучу зрения на звезду. Если же с Земли эта планетная система будет видна не в анфас, а в профиль, движение планетки посильнее всего будет оказывать влияние не на положение звезды на небесной сфере, а на ее круговую скорость по отношению к Земле. Двигаясь в нашем направлении, планета-спутник потянет за собой звезду, и эта скорость вырастет; когда же планетка пойдет на удаление, круговая скорость звезды несколько уменьшится. В итоге звезда исходя из убеждений земных наблюдателей будет покачиваться подобно маятнику в направлении «к нам – от нас». Найти зрительно такое смещение нереально, но в первом положении появляется доплеровское смещение спектральных линий звездного излучения в голубую сторону, а во 2-м – в красноватую. Так как планетка обращается вокруг звезды по замкнутой линии движения со размеренным годом, подобные смещения окажутся строго периодичными. Их полностью можно выявить при помощи чувствительных спектроскопов. Этот способ (именуемый также способом круговых, либо лучевых, скоростей) работает, даже если угол, о котором шла речь, не равен 90 градусов, но все-же отличен от нуля. Очевидно, продолжительность наблюдений должна составлять более планетарного года, а еще лучше – пары лет.


Охотники за экзопланетами поняли способности этого способа еще в 1970-х годах. И не просто поняли, да и приступили к работе. В 1988 году канадские астрологи Брюс Кэмпбелл, Гордон Уолкер и Стефенсон Янг сказали, что им предположительно удалось найти черный спутник Палитры Цефея. Но они признали, что их аппаратура была недостаточно чувствительна, чтоб с уверенностью претендовать на открытие. Четыре года спустя их выводы были поставлены под колебание, но в 2003 году стопроцентно доказаны. Так что в этом смысле сегодняшний год можно считать юбилейным – 1-ое открытие экзопланеты состоялось 20 годов назад. Точно так же гарвардский астрофизик Дэвид Латам в 1989 году заявил о вероятной идентификации планетки поблизости звезды HD 114762, но доказательства этого открытия пришлось ожидать целых семь лет (правда, до сего времени непонятно, планетка это либо карий лилипут).


Сначала 1990-х уже несколько научных обществ серьезно занимались спектрометрическим поиском как несветящихся, так и очень мерклых приятелей звезд солнечного типа. Этим способом они возлагали надежды найти не только лишь экзопланеты, да и издавна предсказанные теоретиками карие лилипуты, инфракрасные звезды с массой меньше 8% массы Солнца, в недрах которых нереально термоядерное горение обыденного водорода (правда, там может пылать дейтерий, но его припасов хватает на короткий срок). И те и другие надежды оправдались 13 годов назад, при этом по занимательному совпадению сразу.


Гонка за экзопланетами


Посреди бессчетных охотников за экзопланетами вперед вырвались три научные группы. Одну составили уже упоминавшиеся канадцы Кэмпбелл и Уолкер, вторую – америкосы Джеффри Марси и Пол Батлер (химик, но с астрономическими устремлениями), третью – доктор астрономии Женевского института Мишель Мэйор и его аспирант Дидье Келоз. Канадцы полностью могли первыми достигнуть признанного фуррора, так как больше других сделали для разработки устройств, позволяющих увидеть «раскачивание» звезд. Но им снова не подфартило. В 1994 году они опять претендовали на вероятное открытие экзопланеты, но их выводы не подтвердились. Янки тоже никак не желала улыбнуться фортуна. В том же году Марси сказал, что они отмониторили третья часть перечня специально избранных звезд, но результатов так и не получили.


Швейцарцы тем временем приступили к периодическому поиску экзопланет, используя спектрометр высочайшего разрешения ELODIE, смонтированный в 1983 году на 193-сантиметровом телескопе 1958 года обсерватории От-Прованс в Южной Франции. 23 ноября 1995 года они выпустили в Nature статью, из которой мир вызнал о давно ожидаемом открытии планетки, обращающейся вокруг обыкновенной звезды. Всего через несколько недель америкосы подтвердили этот итог и сказали о регистрации еще пары экзопланет. Планетарная астрономия раз и навечно вышла за границы Галлактики. А позже подобные открытия посыпались одно за другим.


Ученые сходу сообразили, что экзопланеты отличаются от спутников Солнца. 1-ая из их была найдена около звезды 51 Пегаса. Она обращается по радиальный линии движения с радиусом в 7,5 млн км, совершая один оборот всего за 4,2 суток, и обладает очень хорошей массой (0,47 массы Юпитера). Для сопоставления: крохотный Меркурий никогда не подходит к Солнцу поближе, чем на 46 млн км и делает полный оборот за 88 суток. Обе планетки, о которых сказали америкосы, также вызывали удивление. Это очевидно были газовые гиганты – 2,54 и 7,44 массы Юпитера. При всем этом они тоже оказались подозрительно близкими к своим звездам – 47 Большой Медведицы и 70 Девы: их огромные полуоси приравниваются, соответственно, 2,1 и 0,48 а.е. (Юпитер отдален от Солнца на 5,2 а.е.). 2-ая планетка к тому же движется по очень вытянутой орбите с эксцентриситетом 0,4, в два раза огромным, ежели у Меркурия.


Звездные затмения


Экзопланеты отлавливают и при помощи фотометрии – определения колебаний видимой яркости звездного света. Очевидно, это может быть исключительно в том случае, если планетка временами проходит меж Землей и собственной звездой. Амплитуда уменьшения светового потока пропорциональна квадрату дела радиусов затмевающего и затмеваемого тела. Так, если поперечник планетки равен одной десятой поперечника звезды (таково соотношение геометрических характеристик Юпитера и Солнца), она перекроет одну сотую звездного света, а планетка земного размера уменьшит яркость звезды на одну десятитысячную.


Фотометрический способ не только лишь приносит информацию о наличии и составе атмосферы планетки, да и расширяет способности доплеровской спектроскопии. Вправду, если планетка затмевает звезду, то доплеровская спектроскопия дает не наименьшую, а реальную оценку планетарной массы (см. врезку). Осенью 1999 года Дэвид Шарбонне и Тимоти Браун в первый раз применили связку этих 2-ух способов – спектрометрически выявили наличие спутника у звезды HD 209458, а потом зарегистрировали и повторяющиеся провалы на кривой колебаний ее яркости. Приобретенные данные позволили узнать, что масса планетки составляет 0,69 массы Юпитера, а поперечник – полтора юпитерианских. Позже затменный эффект этой планетки с еще большей точностью подтвердили приборы орбитального телескопа «Хаббл» и астрометрического спутника «Гиппарх».


В базе другой разновидности фотометрического отлова внесолнечных планет лежит явление гравитационного микролинзирования. Сначало его использовали для поиска мерклых маломассивных звезд. Оказавшись меж Землей и дальним броским светилом, такая звезда своим тяготением искривляет его лучи и временно наращивает его видимый сияние. Если звезда обладает спутником, световая кривая несколько меняется. В первый раз таким методом увидели дальную планетку в 2003 году. Способ сам по для себя очень эффективен, но, к огорчению, не допускает повторных наблюдений.


Удачная погоня за экзопланетами не только лишь отдала астрономии богатейшую информацию, но также завлекла к этой науке публичное внимание и очень прирастила ее престиж. А это благоприятно отразилось на финансировании новых проектов. Потому нет ничего необычного, что разработка устройств последующих поколений, созданных для такового поиска, идет полным ходом. Но о их – в последующем номере.