Страница 47 из 79
Эффект Доплера предлагает альтернативный способ, доступный нам уже сегодня. Изучив звезду подробно, мы можем тщательно замерить любые изменения в доплеровском смещении излучения этой звезды Они могут появляться вследствие изменения скорости, с которой звезда к нам приближается от нас удаляется. Если изменения оказываются циклическими, то есть скорость с определенной регулярностью демонстрирует максимальное значение, затем минимальное, затем снова максимальное и т. д., тогда мы можем совершенно справедливо утверждать, что эта звезда перемещается по определенной орбите, которая заставляет ее водить хороводы в космосе вокруг одной конкретной точки.
Что может заставить звезду исполнять такой танец? Только гравитационное воздействие других объектов. Нет никаких сомнений в том, что планеты по определению обладают массами, существенно меньшими, чем звезды, поэтому их гравитационное влияние весьма скромно. Когда они тянут к себе близлежащую звезду, чья масса в разы превышает их собственную, они навязывают ей лишь незначительные изменения в скорости движения. Юпитер, к примеру, меняет скорость Солнца примерно на 40 футов[52] в секунду, что, конечно, побольше скорости самого первоклассного бегуна на короткие расстояния. В то время как Юпитер совершает свое обращение вокруг Солнца на протяжении 12 лет, сторонний наблюдатель, расположившийся где-то вдоль плоскости его орбиты, может измерить величину доплеровского смещения в излучении Солнца. Полученные им результаты покажут, что в определенный момент времени скорость Солнца относительно самого наблюдателя окажется на 40 футов в секунду выше своего среднего значения. Шесть лет спустя тот же наблюдатель обнаружит, что скорость Солнца упала на 40 футов ниже средней скорости его движения. В течение этого шестилетнего промежутка относительная скорость будет плавно проходить переменный путь от одного экстремального значения к другому. Пронаблюдав за этим однообразным циклом несколько десятков лет, наблюдатель будет вправе заявить, что у Солнца есть планета, описывающая вокруг него один оборот за 12 лет и являющаяся причиной изменений в скорости самой звезды, которые, в свою очередь, рождаются в результате этого движения. Размер орбиты Солнца, в сравнении с орбитой Юпитера, равен обратному отношению масс двух объектов. Так как масса Солнца в тысячу раз больше массы Юпитера, орбита Юпитера вокруг их общего центра тяжести оказывается в тысячу раз больше орбиты Солнца. Это лишнее доказательство тому, что сдвинуть с места Солнце в тысячу раз труднее, чем Юпитер.
Конечно, у Солнца есть не одна, а несколько планет, каждая из которых одновременно тянет его к себе с помощью своей гравитации. Суммарная динамика движений Солнца, таким образом, представляет собой наложение подобных орбитальных танцев, у каждого из которых разный период повторения. Так как Юпитер — самая крупная и массивная планета Солнца — оказывает на него наибольшее гравитационное воздействие, следы танцевальных уроков Юпитера преобладают в сложном комплексе движений и колебаний Солнца в космосе.
Когда астрофизики решили заняться поиском экзопланет, наблюдая за колебаниями звезд, они поняли: чтобы найти сравнимую с Юпитером планету, расположенную на расстоянии от своей звезды, сопоставимом с расстоянием от Юпитера до Солнца, им понадобится измерить доплеровские смещения с точностью, достаточной того, чтобы затем отследить изменения в относительной скорости изучаемого объекта, составляющие примерно 40 футов в секунду. В земных условиях это весьма немалая скорость (около 27 миль в час[53]), но с точки зрения астрономии она не составляет даже одной миллионной доли скорости света, а также равняется примерно одной тысячной доле той скорости, с которой звезды, как правило, движутся в нашем направлении от нас. Таким образом, чтобы обнаружить вызванное изменением скорости источника излучения доплеровское смещение, чей размер составляет не более одной миллионной доли скорости света, астрофизикам нужно измерять разницу в длинах волн, то есть в палитре звездного света, составляющую одну часть на миллион.
Такая точность дала научному миру не просто возможность обнаруживать планеты. Так как подобная схема обнаружения основана на анализе и выявлении цикличных повторений в изменении скорости движения звезды, продолжительность каждого из этих циклов напрямую отражает период обращения планеты, которая является причиной этих изменений. Если звезда танцует согласно определенным образом повторяющемуся циклу, значит, планета танцует с идентичным периодом кругового движения, только на гораздо более широкой орбите. Этот период обращения, в свою очередь, позволяет оценить расстояние от этой планеты до ее звезды. Исаак Ньютон давно доказал, что объект, вращающийся вокруг звезды, тем быстрее будет завершать одно полное вокруг нее обращение, чем ближе он к этой звезде расположен и тем медленнее, чем он дальше. Каждый период обращения соответствует конкретному значению величины среднего расстояния между звездой и объектом на ее орбите. Так, в Солнечной системе однолетний период обращения подразумевает, что такой объект находится на том же расстоянии от Солнца, что и Земля, а период обращения 12 лет означает, что этот объект находится на расстоянии в 5,2 раза больше расстояния от Солнца до Земли — как Юпитер, соответственно. Поэтому исследователи смогли объявить, что не только обнаружили планету как таковую, но и вычислили ее период обращения и то среднее расстояние, что отделяет ее от своей звезды.
Но о планете можно узнать еще больше. Двигаясь на определенном расстоянии от своей звезды, планета, точнее, ее гравитация притягивает к себе звезду с силой, которая зависит от ее массы. Более массивные планеты оказывают большее воздействие, из-за чего и звезда «танцует» быстрее. Вычислив расстояние от звезды до планеты, команда ученых смогла определить и массу такой планеты, добавив ее в список характеристик, полученных ранее методом тщательных наблюдений и вычислений.
Надо признать, что вычисление массы планеты с помощью наблюдений за перемещениями ее звезды в определенной мере слагает с нас ответственность. Астрономы не могут знать наверняка, изучают ли они такую танцующую звезду с луча зрения, полностью совпадающего с плоскостью, в которой лежит орбита планеты, или с луча зрения выше плоскости орбиты (в таком случае им нужно измерять нулевую скорость звезды), с луча зрения, идущего и не вдоль плоскости, и не перпендикулярно ей (наверняка это почти всегда именно так). Плоскость, где лежит орбита интересующей нас планеты, которую та описывает вокруг звезды, накладывается на плоскость движения звезды в ответ на гравитационное воздействие планеты. Получается, что мы наблюдаем полные орбитальные скорости только в том случае, если наш луч зрения при взгляде на звезду полностью совпадает с плоскостью орбиты этой планеты вокруг своей звезды. Попробуем вообразить аналогичную ситуацию в более понятных декорациях: вы на бейсбольном матче и можете измерить скорость мяча, брошенного питчером, в тот момент, когда он летит прямо на вас или от вас, но не скорость, с которой такой мяч пересекает ваше поле зрения. Если вы приехали на поиски талантливых спортсменов, лучше всего садитесь сразу за основной базой, где стоит игрок с битой — на одной линии с траекторией полета бейсбольного мяча. Но если вы будете смотреть игру с первой или третьей базовой линии, тогда брошенный питчером мяч по большей части не полетит ни на вас, ни от вас и измеренная вами скорость движения мяча по вашему лучу зрения будет практически равна нулю.
Из-за того что эффект Доплера измеряет только ту скорость, с которой звезда приближается к нам или удаляется от нас, но не ту скорость, с которой звезда пересекает наш луч зрения, как правило, мы не можем определить, насколько наш луч зрения в сторону звезды совпадает с плоскостью звездной орбиты. Это говорит о том, что те значения, которые были получены нами с помощью этой методики для масс экзопланет, являются минимальными: они окажутся в полном соответствии с реальной массой этих планет только в том случае, если мы действительно все это время смотрели на их звезды вдоль плоскости их орбит. В среднем фактическая масса экзопланеты в два раза больше полученной путем наблюдений за ее звездой минимальной величины, но нам неоткуда знать, какие из уже обнаруженных нами экзопланет окажутся по факту крупнее более чем в два раза, а какие — менее.
52
40 футов = 1219,20 см.
53
27 миль/ч = 43,45 км/ч.