Фабрика планет. Экзопланеты и поиски второй Земли - Элизабет Таскер

Докторская диссертация, над которой он работал в Женевском университете, была посвящена выявлению незначительных отклонений в траектории звезд, вызванных гравитационным воздействием спиральных рукавов Галактики. Это исследование было невозможно без сверхточного измерения скоростей звезд, и Майор непрерывно работал над усовершенствованием методов проведения таких измерений. Ему удавалось фиксировать все малозаметные изменения в движении звезд, даже самые незначительные их колебания стали доступны для наблюдения. Речь шла о колебаниях, вызванных объектом, который был несравнимо меньше самой звезды, — о легчайших толчках, исходящих от невидимой планеты.

Главное препятствие при поиске планет — то, что звезды такие большие и яркие. Даже от поверхности Юпитера — самой массивной планеты в нашей Солнечной системе — отражается всего лишь одна миллиардная попадающего на нее солнечного света. Это очень затрудняет процесс обнаружения планет, вращающихся вокруг другой звезды, свет от которой кажется крошечной точкой в небе. Однако, согласно методике Майора, астрономы и не должны пытаться разглядеть саму планету. Вместо этого следует измерять колебания звезды при обращении планеты вокруг нее.

Когда заходит речь об орбитах, мы обычно представляем себе, как объект меньшего размера движется вокруг более массивного стационарного тела, например как Земля движется вокруг Солнца или как Луна движется вокруг Земли. На самом деле тела притягиваются друг к другу, а потому они оба находятся в движении. Такая пара обращается вокруг своего центра масс — точки в пространстве, в которой силы притяжения двух тел уравновешивают друг друга.

Чтобы наглядно представить себе, как именно это происходит, возьмем карандаш, прикрепим к его концам по ластику и попробуем удержать его на пальце. Если вес ластиков одинаков, точка равновесия будет располагаться точно посередине карандаша. Тот же самый принцип работает и в том случае, когда две звезды одинаковой массы образуют двойную звездную систему. Звезды-двойники вращаются вокруг точки, располагающейся на полпути между ними. В том случае, когда ластики имеют разную массу, точка равновесия смещается к ластику, который тяжелее. Масса Харона, гигантского спутника Плутона, равна почти 12% массы этой планеты-карлика. Центр их масс находится на расстоянии приблизительно 1000 км над поверхностью Плутона и чуть меньше 17 000 км от поверхности Харона. Поэтому Харон движется по большой окружности, а Плутон — по меньшей, так как оба они вращаются вокруг этой точки равновесия[3]. Масса Луны равна 1% массы Земли, поэтому центр тяжести этих двух тел находится на глубине приблизительно 1700 км от поверхности Земли. Земля движется по орбите вокруг него, но, учитывая, что наша планета перемещается вокруг точки, расположенной внутри нее самой, ее вращения больше походят на покачивания.

В случае со звездой и планетой разница между массами настолько огромна, что центр массы оказывается в непосредственной близости от физического центра звезды. При этом планета движется по большой окружности, описывая почти правильный круг вокруг звезды, тогда как орбита звезды представляет собой едва заметные колебания.

В конце 1994 г. ученику Майора Дидье Кело удалось зафиксировать такое колебание при наблюдениях в телескоп. Объектом, незначительные перемещения которого зафиксировал исследователь, оказалась звезда из созвездия Пегас, находящаяся на расстоянии 51 светового года от Солнца. Это означало существование экзопланеты, то есть планеты за пределами нашей Солнечной системы.

Чтоб понять механизм обнаружения столь незначительного колебания, представьте себе, что вы слышите приближающийся звук сирены машины скорой помощи. Чем ближе машина, тем меньше расстояние между вами и сиреной. Звуковые волны сжимаются, их длина уменьшается, а звук сирены становится выше. При удалении машины длина звуковых волн увеличивается, а высота звука падает. Это явление называют эффектом Доплера.

То же самое происходит и со светом звезды. Когда при обращении по орбите вокруг планеты звезда движется по направлению к Земле, исходящие от нее световые волны сжимаются, их длина уменьшается, а цвет смещается к голубой части спектра. Когда звезда движется назад, удаляясь от Земли, световые волны становятся длиннее и приобретают красный оттенок. По мере движения планеты и звезды по орбите вокруг общего центра масс свет звезды меняется, смещаясь то к голубой части спектра, то к красной, в соответствии с ее колебательными движениями.

Еще один способ решения той же проблемы связан с частицами света. Представьте, что звезда — это человек, который бросает в вас световые шары с постоянной частотой. Если звезда движется к вам, расстояние между вами сокращается, а значит, частота с которой шары долетают до вас, увеличивается. Это как раз то уменьшение длины волн, благодаря которому свет приобретает голубой оттенок, а звук сирены становится выше. Когда звезда удаляется, расстояние увеличивается, а значит, шарам требуется больше времени, чтобы преодолеть его. При этом длина волн увеличивается, а свет приобретает красный оттенок.

Измерение этого сдвига в длине волн позволяет отследить изменения в движении звезды в момент колебания при сближении с Землей и удалении от нее. Скорость движения по направлению к нам называют лучевой скоростью звезды. Отсюда название метода обнаружения планет — метод лучевых скоростей. Иногда его еще называют методом Доплера.

Майор и Кело использовали данные о продолжительности колебаний звезды в обоих направлениях для расчета длины орбиты планеты и далее делали вывод о том, насколько далеко планета находится от звезды. При этом амплитуда колебаний звезды позволила оценить массу планеты: чем больше звезда отклонялась от своей орбиты, тем дальше была точка равновесия, то есть центр масс, а значит, тем тяжелее была планета.

Стоит упомянуть, что масса планеты, полученная методом измерения лучевой скорости звезды, — это всегда минимальное возможное значение. Причина в том, что световые волны становятся короче или длиннее только при движении непосредственно к нам или от нас. Любые колебания звезды, направленные не в нашу сторону, проходят незамеченными.

Можно провести аналогию с наблюдением за движением наполненного горячим воздухом шара по его тени. Тень показывает нам, что шар движется параллельно земле, но мы не понимаем, поднимается он или опускается. Если бы по движению тени вы захотели вычислить, сколько горючего ушло на полет шара, то, скорее всего, полученный результат был бы слишком мал, ведь в нем не учитывалось бы топливо, затраченное на набор высоты. Соответственно, если планета и звезда движутся по орбитам, имеющим определенный угол наклона по отношению к Земле, только лишь часть колебаний звезды будет обращена к нам и поддастся обнаружению. Поэтому оценка исходящей от планеты силы будет заниженной, а вычисленная таким способом масса будет меньше фактической.