Все эти миры - ваши. Научные поиски внеземной жизни - Джон Уиллис

В 1984 г. небольшая группа ученых, возглавляемая Уильямом Боруки из Исследовательского центра Эймса в Калифорнии, впервые свела эти идеи воедино. Они задумали построить космическую обсерваторию, которая позволила бы на протяжении 4 лет непрерывно наблюдать участок неба, содержащий 160 000 ярких звезд. Вероятность случайного попадания трех точек на одну линию указывает, что даже если у каждой звезды есть планета, то в лучшем случае мы сможем наблюдать транзит лишь у 10 % из них, т. е. у 16 000 звезд. Точность наблюдений будет достаточной, чтобы обнаружить транзит планеты размером с Землю по диску звезды, подобной Солнцу. Если эта далекая «Земля» совершает оборот вокруг своей родительской звезды за один год, тогда за 4 года работы миссия по обнаружению новых миров должна зафиксировать 4 транзита в этой системе, чтобы мы могли быть уверены в природе наблюдаемого явления.

Прошло больше 20 лет, прежде чем космический телескоп «Кеплер» был запущен в космос и смог приступить к поиску новых миров. НАСА бесконечное число раз отклоняло планы проведения миссии, но, к чести готовивших ее ученых, надо отметить, что все технические трудности и сомнения были преодолены с помощью лабораторных и полевых испытаний. «Кеплер» был выбран в качестве исследовательской миссии НАСА в декабре 2001 г. Сколько это стоило? $600 млн на все: создание телескопа, запуск и обработку данных на Земле. С учетом полученных на сегодняшний день научных результатов инвестиции оказались очень выгодными.

Космический телескоп «Кеплер» был запущен 6 марта 2009 г. Основная программа была рассчитана на 3,5 года с возможностью проведения наблюдений на протяжении 6 лет. Размеры «Кеплера» относительно невелики, диаметр его главного зеркала составляет 0,95 м. Главное достоинство телескопа — 95-мегапиксельный сверхчувствительный фотометр. Телескоп направлен на скопления звезд между созвездиями Лиры и Лебедя, и его поле зрения охватывает 105 квадратных градусов. Это очень обширный участок неба. Если учесть, что угловой размер Луны равен примерно половине градуса, то поле зрения «Кеплера» настолько велико, что по каждой его стороне разместилось бы по 21 Луне.

Зачем это понадобилось? В поле зрения телескопа попадает 160 000 звезд, яркость которых позволяет добиться необходимой фотометрической точности, при этом они не должны перекрывать друг друга или проецироваться на дальние галактики. Каждые шесть секунд «Кеплер» фотографирует это скопление звезд, а затем обрабатывает и записывает полученные данные. Первичная информация не сохраняется, поскольку в таком случае у «Кеплера» довольно быстро закончилось бы место на жестком диске. Более того, скорость, с которой поступает информация, значительно превышает скорость передачи данных на Землю. Вместо этого «Кеплер» замеряет яркость каждой из 160 000 исследуемых звезд и хранит только эту информацию. На основании массивов измерений яркости, сделанных для каждого снимка, затем рассчитываются средние значения за 3 минуты. «Кеплер» хранит эту информацию в сжатом виде на диске и только раз в месяц посылает «цифровую открытку» со значениями яркости для каждой звезды на Землю, где этих ежемесячных посланий с нетерпением ожидает команда ученых, анализирующая данные наблюдений.

«Кеплер» следовал этому распорядку на протяжении 4 лет, последовательно измеряя яркость всех 160 000 звезд каждые 6 секунд. Такое терпение и аккуратность сделали бы честь даже Кеплеру. К несчастью, 11 мая 2013 г. произошла поломка второго из четырех установленных на борту двигателей-маховиков. Эти двигатели применяются для высокоточной ориентации и стабилизации космического телескопа, обеспечивая его выравнивание вдоль осей. Поскольку пространство имеет три измерения (оси), необходимо по крайней мере три двигателя-маховика, чтобы поддерживать ориентацию телескопа на определенный участок неба. Более того, поскольку точность ориентации телескопа является критически важным компонентом, влияющим на общую погрешность измерения яркости звезд, отказ двух двигателей-маховиков означал для «Кеплера» полную потерю управляемости и работоспособности.

Основная часть миссии по обнаружению экзопланет завершилась, но слухи о кончине самого «Кеплера» сильно преувеличены — телескоп по-прежнему способен следить за различными участками неба, используя для стабилизации космического аппарата давление солнечного излучения. В будущем нас, несомненно, ждут новые миссии по обнаружению внесолнечных планет, но не будет преувеличением сказать, что миссия «Кеплера» позволила нам раздвинуть границы наших познаний так же, как и любая другая космическая миссия в настоящем, прошедшем и, возможно, будущем. Так что же мы выяснили? Как выглядят эти дивные новые миры?

Чтобы охарактеризовать недавно открытые экзопланеты, нам придется выдумать новые термины — новые слова для новых классов планет. Теперь вокруг звезд нашей галактики Млечный Путь обращаются горячие юпитеры и сверхземли. Самое удивительное в том, что касается недавно открытых экзопланет — различными методами, не только с помощью «Кеплера», — это их невероятное разнообразие. Упомянутая ранее 51 Пегаса b была первым обнаруженным горячим юпитером, а теперь я хочу представить вам Ипсилон Андромеды b. Звезда Ипсилон Андромеды расположена в 44 световых годах от Земли. Это звезда спектрального класса F, немного горячее и ярче нашего Солнца и, по счастливой случайности, видимая невооруженным глазом. Ипсилон Андромеды b была обнаружена в 1996 г., через год после 51 Пегаса b, и это еще один пример горячего юпитера — этой удивительной новой разновидности планет. Но на каких измерениях основано это утверждение? А конкретнее, как мы определяем температуру планеты?

На основании лучевых скоростей планет в системе Ипсилон Андромеды мы смогли определить, что масса Ипсилон Андромеды b равна примерно половине массы Юпитера и он обращается вокруг своей родительской звезды за 4,6 суток. Если масса звезды сопоставима с массой Юпитера, мы можем считать, что этот мир похож на Юпитер, но почему в таком случае он горячий? Чтобы в этом разобраться, мы должны вспомнить третий закон Кеплера и зависимость между периодом вращения и орбитальным радиусом. Если масса родительской звезды примерно такая же, как у Солнца, мы можем представлять себе орбиту Ипсилон Андромеды b в масштабах нашей Солнечной системы. Итак, если период обращения составляет 4,6 суток, то орбитальный радиус Ипсилон Андромеды b равен приблизительно 1/12 (точнее 0,06) а. е. Это примерно восьмая часть расстояния от Меркурия до Солнца. Очевидно, это будет горячая планета, но можно ли сказать точнее?

Чтобы определить температуру поверхности планеты, мы должны сделать одно важное допущение: большую часть энергии, полученной от своей родительской звезды, планета отдает в космос. На основании температуры родительской звезды, доли ее излучения, поглощаемой планетой (в противовес отражаемому излучению), и орбитального расстояния планеты можно подсчитать температуру энергетического баланса на поверхности планеты. Для Ипсилон Андромеды b равновесная температура оказалась больше 1130 °C — действительно горячо!

Однако вскоре выяснилось, что, если вычесть влияние планеты Ипсилон Андромеды b на доплеровское смещение родительской звезды, у нее по-прежнему будут наблюдаться заметные колебания лучевой скорости, а значит, в ее системе есть и другие планеты. Как оказалось, Ипсилон Андромеды обладает четырьмя планетами с массами порядка массы Юпитера, обращающимися на расстоянии, сопоставимым с орбитальным радиусом Юпитера в нашей Солнечной системе. Три оставшиеся планеты более удалены от звезды, чем планета b, и, следовательно, температуры равновесия для них будут ниже. Я надеюсь, что на этом месте у вас что-то щелкнуло и вы увидели связь между равновесной температурой и зоной обитаемости. Хотя зону обитаемости можно определить несколькими способами — от самых простых, не выходящих за рамки курса общей физики, до более сложных, учитывающих состав атмосферы конкретной планеты, — но проще всего, наверное, сказать, что границы зоны обитаемости устанавливаются из расчета, что температура равновесия для планет должна находиться в диапазоне между 0 и 100 °C.