Владимир Сурдин - Разведка далеких планет
Звезды — зонды
Вначале главы я рассказывал, как покрытие диском Луны помогает изучить звезды. В том случае Луна была прибором, а звезды — объектом исследования. Однако и сами звезды могут стать частью астрономического прибора, предназначенного для исследования планеты. Метод покрытия уже несколько десятилетий весьма плодотворно применяется для того, чтобы излучением звезд «просвечивать» атмосферы планет и их окрестности.
Рис. 5.11. Летающая обсерватория «Койпер» для инфракрасных наблюдений в стратосфере. В передней части фюзеляжа находится окно для телескопа (темный прямоугольник).
Первый сенсационный результат этот метод дал в 1977 г., когда позволил обнаружить темные кольца Урана. Открытие сделал американский астроном Джеймс Эллиот с коллегами 10 марта 1977 г., наблюдая с борта летающей обсерватории «Койпер» (NASA) за тем, как Уран проходит перед звездой SAO 158687 в созвездии Весы. Вообще‑то ученые хотели узнать что‑нибудь новое об атмосфере Урана, сквозь которую на заходе и на восходе будет просвечивать звезда. Чтобы не пропустить явление, они начали свои наблюдения за час до рассчитанного момента и неожиданно заметили, как за полчаса до начала покрытия звезды диском планеты и совершенно симметрично после окончания ее покрытия блеск звезды пять раз на несколько секунд ослаб. Сразу стало ясно, что это указывает на существование пяти тонких полупрозрачных колец вокруг планеты, заслонивших от телескопа звездный свет. С Земли эти кольца до того дня никто не видел, поскольку, в отличие от колец Сатурна, кольца Урана состоят из очень темного вещества. Спустя полгода после открытия Джеймса Эллиота к планетам — гигантам стартовали межпланетные зонды «Вояджер-1» и «Вояджер-2». Когда 24 января 1986 г. «Вояджер-2» сблизился с Ураном, ученые уже были готовы к поиску колец и без труда обнаружили их на переданных снимках, а также открыли новые. Позже свою лепту внес и космический телескоп «Хаббл», так что сейчас уже известно 13 колец Урана.
Пожалуй, еще более неожиданным открытием, чем кольца Урана, было обнаружение спутников у некоторых астероидов, также сделанное при наблюдении звездных покрытий. Позже наличие этих маленьких тел, сопровождающих астероиды и карликовые планеты, подтвердилось их прямыми наблюдениями в телескопы и с борта космических зондов. Кстати, многие наблюдения покрытия звезд астероидами тоже были сделаны с помощью летающей обсерватории. Дело в том, что тень астероида (освещенного звездой!) крайне невелика — в лучшем случае несколько сотен километров. Проходя по Земле, она обычно не попадает на стационарные обсерватории, поэтому за ней приходится «охотиться». Идеально подходит для этого обсерватория — самолет.
Например, в 1977 г. покрытие звезды Ураном астрономы наблюдали над южной частью Индийского океана. Вряд ли это удалось бы сделать даже с борта морского судна: в «ревущих сороковых» широтах помешали бы облачность и качка. А с борта самолета наблюдения провести удалось. Летающая обсерватория «Койпер» (KAO — Kuiper Airborne Observatory) работала в составе NASA с 1974 по 1995 г. На борту модифициованного транспортного самолета C-141А находился кассегреновский рефлектор диаметром 92 см, в основном предназначенный для наблюдений в широком ИК — диапазоне (от 1 до 500 мкм). Рабочая высота этой обсерватории достигала 14 км. Выше практически не бывает облаков и атмосфера очень сухая, что необходимо для инфракрасных наблюдений, поскольку пары воды поглощают это излучение. С помощью телескопа KAO были открыты кольца Урана (1977 г.), обнаружена атмосфера Плутона (1988 г.) и составлены ценные каталоги инфракрасных источников ночного неба. Сейчас самолет — обсерватория «Койпер» законсервирован на авиабазе Эймсовского исследовательского центра в Калифорнии; возможно, он станет научным музеем. А на смену ему пришла новая техника: NASA совместно с Немецким аэрокосмическим центром создали летающую обсерваторию SOFIA (Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy) на базе самолета «Боинг-747SP», несущего телескоп диаметром 2,5 м и способного работать на высотах до 12,5 км. Подобные мобильные обсерватории чрезвычайно полезны: обычные телескопы привязаны к земле, телескопы на спутниках движутся по строгому орбитальному расписанию, а самолет — обсерватория всегда может быть в нужное время в нужном месте. По существу, такой летающий телескоп делает обсерваторией весь земной шар. Можно сказать, что вся Земля становится планетой — телескопом.
6. Недоступные планеты
Самое долгожданное открытие в астрономии состоялось 15 лет назад: в 1995 г. было доказано наличие планет у иных звезд, за пределами Солнечной системы. Надежду и даже уверенность в их существовании многие ученые и философы высказывали с древнейших времен. Впрочем, были и уверенные в обратном: например, великий Аристотель считал, что Земля уникальна, и других таких нет. Но даже те, кто верил во «множественность миров», понимали, что обнаружить планеты в окрестности ближайших звезд технически будет чрезвычайно сложно. До изобретения телескопа такая задача вообще не ставилась, а возможность существования иных планетных систем обсуждалась лишь умозрительно (тем больше поражает уверенность некоторых мыслителей в их существовании — вспомним Джордано Бруно!). Но и при наличии всё более и более совершенных телескопов астрономы еще не так давно рассматривали поиск иных планетных систем как неактуальное занятие, как задачу для далеких потомков.
Даже менее полувека назад ситуация все еще выглядела практически безнадежной. В начале 1960–х гг. астрономы обсуждали возможность обнаружения трех типов гипотетических объектов — черных дыр, нейтронных звезд и экзопланет. (Правда, из этих трех терминов два еще не были даже придуманы, но в существование самих объектов верили многие.) Что касается черных дыр, то возможность их обнаружения казалась за гранью разумного — ведь они, по определению, невидимы! А вот что думали астрофизики о нейтронных звездах и экзопланетах: «Такой объект будет иметь диаметр порядка 30 км, и он будет быстро остывать. Надежда увидеть такой тусклый объект столь же мала, как и надежда увидеть планету, принадлежащую другой звезде. Иными словами — надежды нет» (Кип Торн. «Черные дыры и складки времени». М.: Физматлит, 2007, с. 299).
Как видим, обнаружение далеких планет, равно как и нейтронных звезд, казалось безнадежно трудным делом. Правда, очень скоро, в 1967 г., случайно удалось обнаружить быстровращающиеся замагниченные нейтронные звезды — радиопульсары. Но это был неожиданный «подарок» со стороны радиоастрономии, на который в начале 1960–х гг. никто не рассчитывал. Однако прошло всего 30 лет, и практически одновременно (1995–1996 гг.) были открыты одиночные остывающие нейтронных звезды и планеты у иных звезд! В некотором смысле прогноз оказался верным: открытие тех и других было одинаково трудным, но оно состоялось намного раньше, чем на это рассчитывали астрономы.
Многообразие планет
Любопытно, что тогда же, в 1996 г., был открыт еще один тип гипотетических объектов, занимающий промежуточное положение между звездами и планетами, — коричневые карлики, которые отличаются от планет — гигантов лишь тем, что на раннем этапе эволюции в их недрах протекает термоядерная реакция с участием редкого тяжелого изотопа водорода — дейтерия, не дающая, однако, существенного вклада в светимость карлика. И в те же годы были открыты многочисленные малые планеты на периферии Солнечной системы — в поясе Койпера. К 1995 г. стало ясно, что эта область населена множеством тел с характерными размерами в сотни и тысячи километров, причем некоторые из них больше Плутона и имеют собственные спутники. По своим массам объекты пояса Койпера заполнили промежуток между планетами и астероидами, а коричневые карлики — промежуток между планетами и звездами. В связи с этим потребовалось точно определить термин «планета».
Верхняя граница планетных масс, отделяющая их от коричневых карликов и в целом от звезд, была определена на основе их внутреннего источника энергии: сейчас считается общепринятым, что планета — это объект, в котором за всю его историю не происходят реакции ядерного синтеза. Как показывают расчеты, проделанные для тел нормального (то есть солнечного) химического состава, при формировании космических объектов с массой более 13 масс Юпитера (Mj) в конце этапа их гравитационного сжатия температура в центре достигает нескольких миллионов кельвинов, что приводит к развитию термоядерной реакции с участием дейтерия. При меньших массах объектов ядерные реакции в их недрах не происходят, поэтому массу в 13 Mj считают максимальной массой планеты. Объекты с массами от 13 до 70 Mj называют коричневыми карликами, а еще более массивные — звездами: в них происходит термоядерное горение распространенного легкого изотопа водорода. Для справки: 1 Mj=318 масс Земли (ME)=0,001 массы Солнца (М☉)=2×1027 кг.
