Загадки космоса. Планеты и экзопланеты - Андрей Мурачёв

Период колебаний радиальной скорости звезды равен периоду орбитального вращения планеты. Зная, сколько на планете длится год, можно рассчитать расстояние между планетой и звездой согласно третьему закону Кеплера. Масса предполагаемой планеты прямо пропорциональна амплитуде колебания радиальной скорости звезды. Важно то, что радиальная скорость дает нам только минимальную массу гравитационно связанного со звездой объекта, поскольку радиальная скорость – лишь составляющая полной скорости звезды. Масса планеты, которую находят благодаря методу радиальных скоростей, может быть представлена как произведение двух неизвестных величин: фактической массы планеты и sin(i) – множителя, который характеризует наклон орбиты по отношению к земному наблюдателю.

Открывателями первого внесолнечного мира хотели быть многие, но Уокер и Кэмпбелл в 80-х годах стали фаворитами этой гонки. Они сосредоточили свои усилия на наблюдениях всего лишь за 20 звездами, надеясь, что среди них окажется звезда с собственной планетой. И удача им улыбнулась. В 1988 году, через семь лет после начала охоты, они объявили, что обнаружили экзопланету у звезды в двойной системе Гамма Цефея49. Звезда демонстрировала переменчивую амплитуду радиальной скорости в 25 м/c с периодом 2,5 года. Это была заявка на грандиозный успех, но уже в 1992 году ученые опубликовали статью с опровержением этого открытия, так как они посчитали, что перепутали собственное вращение звезды с влиянием планеты-компаньона.

Почти одновременно с Уокером и Кэмпбеллом, в 1989 году, Дэвид Латам объявил об открытии совместно с коллегами внесолнечной планеты HD 114762 b в 126 св. годах от Земли50. Неуклюжее название планеты происходит из астрономического правила именовать звезды следующим образом: первые буквы и цифры представляют звезду, вокруг которой вращается планета (HD значит, что звезда взята из каталога Генри Дрейпера, 114762 – ее координаты на небе), а буква в конце (в данном случае b) соответствует порядковому номеру планеты (b – первая планета от звезды, c – вторая, d – третья и так далее). Буква a закрепляется за самой звездой, но часто опускается. Если же звезды принадлежат к двойной системе, то одна звезда обозначается заглавной буквой A, а другая – B.

Громкого открытия не получилось. У исследователей оставались сомнения в том, была ли обнаружена именно планета. Могло случиться и так, что это, например, компаньон HD 114762 – никакая не планета, а звезда, и она вращается по орбите, имеющей sin(i), близкий к 0. В этом случае для наблюдателя с Земли система вела бы себя точно так же, как и звезда с планетой, находящейся на орбите с sin(i), близким к 1. Всё как у людей: внешность обманчива. В 2002 году выяснилось, что HD 114762 на самом деле двойная звездная система, но вопроса о наличии у HD 114762 A[37] экзопланеты это не снимало51. В 2012 году подтвердилось существование газового гиганта или коричневого карлика на орбите вокруг HD 114762 A52. А в 2019-м удалось доказать, что звездный спутник имеет орбиту с крайне низким наклоном (большим sin(i)) и, следовательно, массу, превышающую 100 MJ53. Таким образом, HD 114762 A b является коричневым или даже красным карликом.

В 1989 году Дидье Кело, аспирант Мишеля Майора, начал работать над докторской диссертацией. Его задача заключалась в написании программного обеспечения для нового спектрометра ELODIE. Этот спектрометр, созданный Андре Бараном и Мишелем Майором, должен был заменить CORAVEL в обсерватории Верхнего Прованса. Перед ними стояла цель достигнуть погрешности измерения радиальных скоростей звезд хотя бы в ±50 м/c. Такой показатель представлялся достаточным для поиска и изучения коричневых карликов.

Одной из инноваций ELODIE был отказ от газовых ячеек и замена их на плазменные ториевые лампы, создающие вместо линий поглощения характерные линии излучения. Такой способ калибровки длины волн был более трудозатратным в реализации и мог дать даже бо́льшие инструментальные погрешности, чем при использовании газовых ячеек. Однако риски погрешностей были снижены благодаря использованию оптоволокна для передачи света от телескопа на теплоизолированный спектрометр (еще одно новшество ELODIE), поддержанию постоянной температуры в помещении, где находился спектрометр, и возможности работать с более широкой частью спектра. Программное обеспечение, написанное Кело, позволяло находить радиальные скорости звезд всего за несколько минут. А после того как с помощью ELODIE начали проводить измерения радиальных скоростей, оказалось, что погрешность составляет примерно ±13 м/c! Это стало для Майора и Кело сюрпризом и большой удачей.

Благодаря тому, что их инструмент работал намного лучше, чем ожидалось, Мишель Майор и Дидье Кело решили заняться поисками гигантских планет. В апреле 1994 года они начали следить за 142 яркими звездами, а уже в ноябре 1994 года Дидье Кело обнаружил, что 51 Пегаса ведет себя очень странно: ее радиальная скорость менялась с периодом около 4,2 суток. Звезда как будто танцевала в пространстве. И это говорило о том, что на орбите вокруг нее находится некий массивный объект с очень коротким периодом обращения.

Когда Кело рассчитал массу планеты и радиус ее орбиты, он был очень озадачен. Полученные значения не имели никакого смысла и выглядели нелепо. По ним выходило, что экзопланета, которая весит как пол-Юпитера, гораздо ближе к своей родительской звезде, чем Меркурий к Солнцу.

Масса обнаруженной планеты явно указывала: это газовый гигант (сложно было поверить в существование каменистых планет столь огромной массы). Но тот факт, что планета, принадлежащая тому же классу, что и Юпитер с Сатурном, находится совсем не там, где должна находиться, казался невероятным. Модель планетообразования, созданная во второй половине XX века, гласила: лишь в далеких от звезды областях пространства существуют условия для образования газовых гигантов, а следовательно, именно там они и могут быть расположены. Найти планету, похожую на Юпитер, так близко к звезде – все равно что наткнуться на тропический сад на Северном полюсе. Но между тем с цифрами спорить было сложно.

Рисунок 11. График колебания радиальной скорости 51 Пегаса b из оригинальной статьи Майора и Кело. Амплитуда колебаний около 60 м/с

После открытия Майор и Кело были осторожны с выводами и почти год хранили молчание. Слишком много за последнее время поступило сообщений об обнаруженных экзопланетах, и все они в итоге оказались ошибочными. В очередной раз смешить публику или поднимать шумиху в газетах не хотелось. Нужно было все тщательно перепроверить.