Загадки космоса. Планеты и экзопланеты - Андрей Мурачёв

Открытие пульсаров нельзя назвать случайностью. Напротив, история открытия экзопланет начинается со счастливого случая. Вольщан занимался изучением миллисекундных пульсаров – пульсаров, имеющих период до нескольких десятков миллисекунд (их происхождение связывают уже не со взрывом сверхновых, а с двойными системами, один из компаньонов в которых – нейтронная звезда). Он проводил свои исследования на крупнейшем в мире (на тот момент) радиотелескопе «Аресибо» в Пуэрто-Рико. Этот телескоп имеет диаметр более 300 м и располагается в естественном углублении в горах. Во время наблюдений чаша телескопа остается неподвижной, а фокусировку на астрономических объектах обеспечивает перемещающаяся управляемая антенна, прикрепленная к трем опорам. Если бы телескоп функционировал как обычно, заявку Вольщана на работу с ним просто отклонили бы, но управляемая антенна в тот момент находилась в нерабочем состоянии, поэтому спрос на телескоп упал и заявку приняли.

Как и Белл, Вольщан не искал то, что в итоге нашел, – целью его работы было исследование миллисекундных пульсаров. Обнаружил же он два новых пульсара. Первый входил в достаточно интересную систему двух вращающихся друг относительно друга нейтронных звезд. Но потом его внимание привлек другой пульсар – PSR 1257+12 с периодом вращения 6,2 мс. Дело в том, что во времени прихода радиоимпульсов от этого пульсара не было ожидаемой регулярности (у некоторых пульсаров точность периодов превосходит точность атомных часов). Вольщан обнаружил, что во времени прихода сигналов от пульсара PSR 1257+12 наблюдались незначительные, но регулярные отклонения.

С помощью телескопа Very Large Array («Очень большая антенная решетка»), или VLA, названного по традиции очень оригинальным образом, Вольщан перепроверил координаты, а также уточнил периоды накладывающихся на пульсацию возмущений – они оказались равны 66,6 и 98,2 суток. Будь у PSR 1257+12 два компаньона, эту нерегулярность можно было бы объяснить. Но что это за компаньоны? Вряд ли кто-нибудь в то время предполагал, что компаньонами могут оказаться не другие звезды. Но, используя законы Кеплера, Вольщан оценил массы потенциальных компаньонов PSR 1257+12, и они оказались слишком малыми для звезд.

Вольщан долго не понимал, что ему посчастливилось обнаружить. Но, как говорил знаменитый герой Конан Дойла, «отбросьте все невозможное, то, что останется, и будет ответом, каким бы невероятным он ни казался». Вот и у Вольщана остался самый невероятный ответ: на орбите вокруг пульсара находятся две планеты, каждая из которых в четыре раза больше Земли. Позже выяснится, что в их дружной компании есть еще одна планета примерно вдвое больше Луны.

Самая сложная загадка заключается в том, как эти планеты там оказались. Как вы, вероятно, уже поняли, область пространства возле пульсара – это последнее место во Вселенной, где разумный человек будет искать планеты. Мощнейший взрыв сверхновой испарит все в ее планетной системе. Так почему же эти странные планеты оказались так близко к пульсару? Точный ответ на этот вопрос не известен никому. Рассматривается два варианта: экзопланеты были захвачены извне, или же они образовались из вещества, выброшенного сверхновой. Но что произошло на самом деле, в ближайшее время мы, скорее всего, не узнаем. Как бы то ни было, открытие состоялось, и экзопланеты возле пульсара PSR 1257+12 вошли в историю как первые обнаруженные и подтвержденные планеты вне Солнечной системы.

В тот день, когда человечество полетит к звездам, возможно, именно пульсары будут использоваться в качестве естественной навигационной системы. Идея определения положения и скорости космического корабля по пульсарам была предложена еще в 1974 году35. Сейчас открыто несколько типов пульсаров, являющихся источником излучения в радио-, гамма– и рентгеновском диапазонах волн. Рентгеновские пульсары отлично подходят для космической навигации: принимающий рентгеновское излучение детектор может иметь площадь около 100 см2, тогда как для регистрации радиопульсаров, например, нужны тарелки диаметром 25–100 м. Когда космический корабль летит в пространстве, он меняет свое положение относительно Земли и выбранного рентгеновского пульсара, характеристики излучения которого мы знаем: надо всего лишь сравнить рассчитанное и фактическое время прибытия радиоимпульса, чтобы определить координаты и скорость космического аппарата по отношению к Земле. Система, использующая три и более пульсаров, позволит вычислить координаты космического аппарата относительно Земли. В 2017 году космический аппарат NICER в качестве подтверждения целесообразности этого метода смог определить свое положение с точностью до 5 км36, наблюдая за пятью пульсарами с орбиты вокруг Земли. Это стало первой демонстрацией в космосе метода пульсарной навигации. В недалеком будущем мы сможем определять положение космических кораблей с точностью до 2 км на расстоянии до 30 а. е. от Земли!37

Планеты около пульсара PSR 1257+12 были странными. Но не менее странной оказалась и следующая обнаруженная экзопланета. В 1994 году швейцарские астрономы Мишель Майор и Дидье Кело открыли первую планету возле солнцеподобной звезды. За это они удостоились Нобелевской премии по физике в 2019 году, разделив ее с космологом Джеймсом Пиблсом. Остановимся на этом открытии подробнее. Начать мне хочется с описания истории и сути метода доплеровской спектроскопии, благодаря которому и было совершено открытие.

Наука, изучающая спектры, словно поставившая себе цель опровергнуть слова философа-позитивиста Огюста Конта, вынесенные в эпиграф к этой главе, – спектроскопия, позволила находить невидимые ни в один телескоп планеты у далеких звезд[32]. И это стало настоящим подарком для астрофизиков. Но путь к звездам оказался тернистым и занял три столетия. Как же сложно определить время и место начала этой истории! Усилием воли предположим, что первый шаг сделал Исаак Ньютон в 1666 году, стеклянной призмой разложив пучок света в радужную полоску. Этот опыт, описанный во всех учебниках физики для средней школы, наверное, впервые показал, что обычно видимое и воспринимаемое нами – всего лишь иллюзия. О своем опыте Ньютон писал следующее: «В начале 1666 года (в это время я занимался шлифовкой стекол иных форм, чем сферические) я достал треугольную стеклянную призму, чтобы произвести с нею опыты над знаменитым явлением цветов. Для этой цели, затемнив свою комнату и проделав небольшое отверстие в оконных ставнях для пропускания в нужном количестве солнечного света, я поместил призму там, где входил свет, так что он мог преломляться к противоположной стене. Зрелище живых и ярких красок, получавшихся при этом, доставляло мне приятное удовольствие»38.