История всего

Астрофизики способны не только определять орбитальный период и размер орбиты планеты, а также ее минимальную массу. Астрофизики, изучающие «танцы» звезд с помощью эффекта Доплера, достигли еще одного успеха: они умеют определять форму орбиты планеты. Для некоторых орбит, как в случае с Венерой и Нептуном относительно Солнца, характерна почти совершенная круглая форма. Но другие орбиты — Меркурия, Марса и Плутона — существенно вытянуты по форме, из-за чего в какие-то периоды времени такие планеты проходят гораздо ближе к Солнцу, чем в остальное время. Так как планета всегда движется быстрее, когда находится ближе к своей звезде, скорость самой звезды в такие периоды более тесного контакта тоже изменяется заметнее. Если астрономы наблюдают за звездой, скорость которой меняется с постоянной интенсивностью на протяжении всего ее цикла вращения, они делают вывод, что эти изменения скорости вызывает планета, вращающаяся вокруг этой звезды по округлой орбите.

Если же, наоборот, они видят, что скорость звезды изменяется то быстрее, то медленнее, ученые могут утверждать, что являются свидетелями воздействия на звезду планеты с вытянутой орбитой. Более того, они даже могут вычислить степень этого растяжения — то, насколько форма орбиты отходит от идеального круга, — измерив разницу в темпе, с которым скорость звезды меняется на протяжении всего ее орбитального цикла.

Итак, демонстрируя настоящее торжество точности наблюдений в сочетании с точностью вычислений над тайнами Вселенной, изучающие экзопланеты астрофизики могут предоставить данные о четырех ключевых характеристиках любой обнаруженной планеты: период обращения, среднее расстояние до своей звезды, минимальную массу и степень вытянутости орбиты по форме. И все это астрофизикам удается благодаря исследованию всей палитры света звезд, которые лежат в сотнях миллиардов миль от Солнечной системы, и умению измерять крошечные изменения в характеристиках этой палитры цветов с точностью до одной миллионной доли и даже еще точнее. Что это, если не новая и значительнейшая покоренная вершина знаний об устройстве Вселенной в поисках родных и двоюродных братцев и сестриц Земли?

Остается только одна проблема. Многие из обнаруженных за последнее десятилетие экзопланет вращаются вокруг своих звезд на расстояниях, гораздо меньших, чем расстояние от Солнца до какой-либо из его планет. Проблема эта немаленькая, потому что все на данный момент обнаруженные экзопланеты обладают массой, сравнимой с массой Юпитера — гигантской планеты, которая вращается вокруг Солнца на расстоянии, в пять с лишним раз превышающем расстояние от него до Земли. Давайте еще раз пройдемся по всем фактам, прежде чем выразить восхищение тем, как ловко астрофизики объясняют, как так вышло, что эти крупные планеты занимают орбиты в разы меньше тех, что мы привыкли наблюдать в своей Солнечной системе.

Каждый раз, когда мы прибегаем к методике «звездных танцев», чтобы искать и находить планеты, вращающиеся вокруг других звезд, мы не должны забывать о заложенных в нее погрешностях. Во-первых, чем ближе расположены планеты к своей звезде, тем меньше времени им нужно на то, чтобы совершить вокруг нее полное обращение. Так как у астрофизиков есть лишь ограниченное количество времени на то, чтобы наблюдать Вселенную, они, безусловно, в первую очередь будут обнаруживать планеты, скажем, с шестимесячным периодом обращения, а не те, которым требуется 10–12 лет на то, чтобы совершить один оборот. В обоих случаях, однако, астрофизикам так иначе нужно выжидать как минимум пару полноценных орбитальных циклов, чтобы убедиться в том, что они обнаружили повторяющееся поведение скорости звезды. Получается, что на обнаружение планеты с периодом обращения, сравнимым с юпитерианскими 12 годами, может уйти большая часть чьей-то карьеры.

Во-вторых, планеты оказывают тем большее гравитационное воздействие на свои звезды, чем ближе к ним они вращаются. Такое повышенное воздействие заставляет звезды «танцевать» быстрее, результатом чего становится более ощутимое доплеровское смещение в спектре их излучения. Так как обнаружить явное смещение проще, чем незначительное, более близкие к своим звездам планеты привлекают больше внимания — и делают это быстрее, чем более удаленные от звезды планеты. Однако на каком бы расстоянии от звезды она ни находилась, любая экзопланета должна примерно соответствовать по массе Юпитеру (а это в 318 раз больше массы Земли), чтобы ее можно было обнаружить с помощью доплеровского смещения. Планеты с гораздо меньшей массой не в состоянии заставить свои звезды «танцевать» достаточно заметно для того, чтобы современные технологии позволили нам запечатлеть их танцевальные па.

Таким образом, нет ничего удивительного в том, что из первых обнаруженных экзопланет все обладают массой, сравнимой с массой Юпитера, и все вращаются близко к своим звездам. Удивительно то, насколько близко к своим звездам подобрались эти планеты. Так близко, что им не требуется нескольких месяцев и тем более лет того, чтобы завершить каждый полный оборот вокруг своей звезды, что характерно планет Солнца, им хватает… всего нескольких дней.

На сегодняшний день астрофизики нашли уже более дюжины планет, которые совершают полное обращение вокруг своей звезды менее чем за неделю, а одна рекордсменка проделывает это всего за два с половиной дня! Эта планета, вращающаяся вокруг солнцеобразной звезды под названием HD73 256, обладает массой, превышающей массу Юпитера не менее чем в 1,9 раза, и движется по слегка вытянутой орбите на среднем расстоянии от своей звезды, составляющем всего 3,7 % расстояния, разделяющего Солнце и Землю. Другими словами, эта гигантская планета обладает массой, более чем в 600 раз превышающей массу Земли, и при этом находится на расстоянии от своей звезды, составляющем менее одной десятой расстояния от Солнца до Меркурия.

Меркурий состоит из камня и металла, запеченных при температуре во много сотен градусов с повернутой к Солнцу стороны. В отличие от него Юпитер и другие гигантские планеты Солнечной системы (Сатурн, Уран и Нептун) представляют собой огромные газовые шары, внутри которых находятся твердые ядра, составляющие лишь несколько процентов от общей массы каждой из планет. Согласно всем теориям планетообразования, планета с массой, сопоставимой с массой Юпитера, не может быть твердой, как Меркурий, Венера и Земля, поскольку в первичном облаке, из которого все планеты сформировались, было слишком мало вещества, которое могло бы собраться в твердый комок, превратившийся потом в планету, масса которой более чем в несколько десятков раз превышает земную. Из этого следует заключение — и оно приближает нас еще на один шаг к разгадке фантастически увлекательного детектива об экзопланетах, — что все обнаруженные на сегодня экзопланеты (так как они сопоставимы по массе с Юпитером) должны также представлять собой огромные газовые шары.

Сразу хочется задать два вопроса. Первый: как могут эти гигантские планеты, подобные Юпитеру, вращаться так близко от звезд? Второй: раз они вращаются так близко, почему их газовая оболочка не испарилась под воздействием мощной тепловой энергии звезды? На второй вопрос можно ответить относительно просто: огромная масса планет способна удерживать рядом с собой даже самые легкие газы, нагретые до сотен градусов, так как гравитация планет способна преодолеть склонность атомов и молекул газа отбиваться от своего стада и уплывать в космос. В самых экстремальных условиях, правда, в этом поединке гравитация ведет лишь с минимальным перевесом, а планеты в таких случаях вращаются буквально на границе с самыми внутренними областями звездной системы, окажись они внутри их, действительно растеряли бы свой газ в процессе испарения под влиянием тепла звезды.

Первый же вопрос о том, как могут такие громадные планеты вращаться так близко к солнцеобразным звездам, приводит нас к фундаментальной особенности самого планетообразования. Как мы уже установили в главе 11, теоретики приложили много усилий к тому, чтобы хоть что-нибудь понять о процессах образования планет в нашей Солнечной системе. Они пришли к заключению, что планеты Солнца формировались постепенно, из маленьких комков вещества, разрастаясь все больше и больше, и все это происходило внутри блинообразного облака газа и пыли. Внутри этой плоской вращающейся массы вещества, окружавшей Солнце, начали формироваться отдельные скопления материала — сначала в произвольном порядке, а затем уже на основе этих самых первичных формирований, которые за счет своей плотности же обладали большей суммарной гравитацией по сравнению с другими разбросанными по облаку независимыми частицами. На финальных стадиях этого процесса Земля и другие планеты пережили активную бомбардировку оставшимися не у дел крупными кусками материала.