Вкруг солнц, бесчисленных и сходных
C огнистым улеем, там, в высоте,
В сверкании пространств холодных,
Вращаются, впивая дивный свет,
Рои трагических планет.
Эмиль Верхарн, цикл «Вечера» (в переводе В. Брюсова)
Инопланетные системы
Поиски планет у иных звезд (внешних планет, экзопланет) начались задолго
до того, как у астрономов появились совершенные средства, позволяющие
увидеть «невидимое».
Обычно изучались системы, состоящие из двух объектов. Одним объектом при
этом была видимая звезда, вторым объектом — невидимая. Невидимый объект
оказывает влияние на движение видимой звезды и тем самым обнаруживает
себя. Разными исследователями в разное время изучались более десятка
двойных систем. Оказалось, что в большинстве случаев невидимыми
компаньонами видимых звезд являются тоже звезды или субзвезды. Но
все-таки у двух систем компаньонами звезд, по мнению астрономов,
являются самые настоящие планеты.
Одна из этих двух звезд — «летящая» звезда Барнарда, которая имеет очень
большую угловую скорость движения. Астроном Ван-де-Камп проанализировал
информацию о положении этой звезды более чем за 60 лет, начиная с 1916
года. Тщательный анализ показал, что на 2400 фотопластинках содержатся
свидетельства изменения положения звезды, которые повторяются с периодом
в 25 лет. Эти изменения могли быть обусловлены только ее обращением
вокруг общего центра тяжести всей системы (звезда плюс невидимые для нас
планеты). Звезда находится от нас на расстоянии 1,81 парсек. Масса ее
невелика и составляет 14% от массы Солнца — поэтому она легко поддается
действию на нее планет, в результате чего изменяется ее скорость.
Расчеты показывают, что эти изменения в движении вызываются двумя
планетами, массы которых составляют 80% и 40% массы Юпитера. Периоды
обращения этих планет должны быть равны 11,7 и 26 лет. Впрочем,
интерпретация этих данных до сих пор вызывает споры. Создана модель, при
которой аналогичное смещение звезды Бернарда могут вызывать три
планеты, но с другими характеристиками.
На основании похожих наблюдений сделали вывод, что планеты имеются и у
компонента А двойной звезды 61 Лебедя, находящейся от нас на расстоянии
3,4 парсек. Еще раньше были выдвинуты гипотезы о существовании планет
вблизи звезд Проксима Центавра, Крюгep 60A и 70 Змееносца.
Однако настоящая революция в деле поиска планет у иных звезд произошла в начале 1990-х годов.
В 1992 году американские астрономы Апекс Вольштан и Дейл Фрейл с помощью
300-метрового радиотелескопа, расположенного в местечке Аресибо
(Пуэрто-Рико) обнаружили в созвездии Девы новый пульсар, получивший в
звездном каталоге обозначение RSR 1257+12.
Пульсарами, как известно, называются сверхплотные нейтронные звезды, от
которых исходит излучение в виде серии последовательных и очень четких
радиоимпульсов. В данном конкретном случае ученые обнаружили довольно
старую (возраст ее около миллиарда лет) нейтронную звезду. Вращается она
очень быстро, делая 161 оборот в секунду. Причем в серии излучаемых
импульсов время от времени наблюдались какие-то сбои. Проанализировав
их, астрономы обнаружили двойную периодичность — 66,5 и 98,2 дня.
Причиной периодического сбоя радиоимпульсов, по мнению исследователей,
являются две планеты, обращающиеся вокруг пульсара и время от времени
перекрывающие поток радиосигналов собственными телами.
Планетная система, открытая американцами, не является чем-то уникальным.
Татьяна Шибанова, сотрудница ФИАНа имени Лебедева, работая на
радиотелескопе в Пущине, обнаружила две планеты у пульсара PSR 0329+54.
Интересное открытие в этом ряду сделали астрономы Харви Ричер и Стейнн
Сигурдссон, работающие с орбитальным телескопом «Хаббл». Они обнаружили
газообразную и довольно массивную планету у пульсара PSR B1620-26,
который находится на расстоянии 3800 парсек от Земли, в звездном
скоплении М4. Особенность этой планеты в том, что ее возраст составляет
12,713 миллиардов лет, а значит, она сформировалась почти сразу после
Большого Взрыва, в юной Вселенной. Не удивительно поэтому, что и назвали
эту невероятную планету по имени библейского патриарха — Мафусаил.
Его масса, определенная по влиянию на пульсар, составляет 2,5 ± 1 масс
Юпитера, иначе говоря, это газовый гигант. По всей видимости, его радиус
близок к радиусу Юпитера, являющегося естественным пределом для
массивных газовых планет (коричневые карлики имеют примерно тот же
радиус, радиус самой маломассивной звезды главной последовательности,
известной на данный момент, всего на 16% больше радиуса Юпитера).
Химический состав звезд, образующих скопление М4, отличается от
солнечного. Это очень древние звезды, и тяжелых элементов в них примерно
в 20 раз меньше, чем на Солнце. По всей видимости, химический состав
Мафусаила тоже резко обеднен тяжелыми элементами, т.е. он состоит почти
целиком из водорода и гелия.
Итак, Мафусаил вращается вокруг белого карлика и миллисекундного
пульсара. Видимая (с Земли) звездная величина белого карлика +24, что
при расстоянии 3800 пк до скопления дает абсолютную звездную величину
этой звезды +11,1. Его светимость в 331 раз меньше светимости Солнца.
На расстоянии 23 а.е. его видимая звездная величина будет составлять -13,2!
Белый карлик в небе Мафусаила будет светить всего лишь чуть ярче полной
Луны и выглядеть яркой голубовато-белой звездой. Если бы не пульсар,
Мафусаил был бы погружен в вечную ночь.
Миллисекундный пульсар - очень старая нейтронная звезда, повторно сильно
раскрученная падением вещества звезды-компаньона (белый карлик -
остаток этой звезды). Аккреция закончилась примерно 480 млн. лет назад, и
теперь светимость пульсара сравнительно невелика. На глубоких снимках
М4, где и был обнаружен белый карлик - орбитальный партнер пульсара -
самого пульсара нет. Значит, оптическое излучение пульсара как минимум в
несколько раз слабее оптического излучения белого карлика. В основном
пульсар теряет энергию, излучая пульсарный ветер - мощные потоки
заряженных частиц, в основном электронов и позитронов, образующихся в
его магнитосфере и ускоренных в ней до релятивистских энергий. В потоках
пульсарного ветра генерируются всплески радиоизлучения, регистрируемые
на Земле. Там же возникает жесткое ультрафиолетовое и рентгеновское
нетепловое излучение пульсара.
Плоскость орбиты Мафусаила наклонена под углом 55 градусов к лучу зрения
и с данной плоскостью не совпадает. Значит, большую часть времени
Мафусаил будет облучаться белым карликом и некой "постоянной" (и очень
небольшой) долей излучения пульсара, а дважды в течение орбитального
периода, там, где плоскость его орбиты пересекает плоскость излучения
пульсара, попадать под яростный пульсарный луч.
По-видимому, альбедо планеты в области дальнего ультрафиолета и рентгена
близко к нулю (соответствующие кванты не отражаются, а поглощаются
атомами в процессе их ионизации). В этом случае средняя температура
планеты будет равна 128К или -145С (здесь не учитываются внутренние
источники тепла, которые, возможно, за 12 миллиардов лет уже иссякли).
Если какая-то часть энергии не поглощается, а рассеивается, то средняя
температура будет чуть ниже, в районе 100-110К. Вместе с тем слишком
низкой она тоже быть не может! Мафусаил находится в шаровом скоплении, и
суммарное излучение звезд скопления нагреет его атмосферу до 55-60К.
Температура фона неба за пульсаром составляет 55,5К, это явно следствие излучения звезд М4.
Итак, большую часть своего года Мафусаил нагревается излучением белого
карлика, суммарным излучением звезд М4 и имеет температуру 60-80К. При
таких температурах планета будет окутана легкими облаками из замерзшего
метана, которые (в сочетании с релеевским рассеянием света белого
карлика в прозрачной атмосфере) придадут ей глубокий темно-голубой цвет.
Глубокая синева и легкие облака сделают ее похожей на планету Нептун.
Однако дважды за орбитальный период, иначе говоря, каждые 50 лет,
Мафусаил на несколько месяцев попадает под яростный пульсарный луч. На
верхнюю атмосферу планеты обрушивается пульсирующий поток релятивистских
электронов и позитронов вместе с жестким (рентгеновским) излучением
пульсара. Коротковолновое излучение ионизирует атомы водорода и гелия
верхней атмосферы, образуя плотную горячую ионосферу планеты. Метановые
облака испаряются и рассеиваются. Температура атмосферы повышается в
несколько раз.
При рекомбинации атомы излучают в линиях, в том числе и в оптической
области спектра. Водород излучает в линиях Бальмеровской серии, самой
мощной из которых будет линия Нальфа (656 нм) в красной части спектра. У
гелия довольно много линий в оптической части спектра, но самые
интенсивные из них это:
389 нм (фиолетовая) - относительная интенсивность 5,
447 нм (синяя) - относительная интенсивность 2,
502 нм (зеленая) - относительная интенсивность 1,
588 нм (желтая) - относительная интенсивность 5,
668 нм (оранжевая) - относительная интенсивность 1,
707 нм (красная) - относительная интенсивность 2.
Судя по всему, суммарное излучение в линиях гелия вызвало бы у человека
ощущение белого цвета или близкое к нему. Так что вклад гелия в
окрашивание неба Мафусаила невелик и цвет неба будет определяться
бальмеровской (альфа) линией водорода. Верхняя атмосфера Мафусаила будет
люменисцировать, как экран телевизора, окрашивая небо в призрачный
розовый цвет.
Видимо, у Мафусаила есть магнитное поле. Его недра состоят из жидкого
металлического водорода, подобно недрам Юпитера. Жидкий металлический
водород - прекрасный проводник. Если планета за 12 миллиардов лет
сохранила свое быстрое вращение (а почему бы и нет?), Мафусаил будет
окружать мощная магнитосфера. Под влиянием магнитосферы потоки
релятивистских электронов и позитронов будут вторгаться в атмосферу
планеты лишь в зоне магнитных полюсов, окрашивая небо огненно-ярким
полярным сиянием и прогревая ее именно в этих зонах - до сотен (а может,
и до тысячи) кельвинов. При взгляде из космоса планета будет окутана
розоватой дымкой пылающей ионосферы с яркими кольцами вокруг магнитных
полюсов.
М4 - ближайшее к Солнцу шаровое скопление. Расстояние до него составляет
3800 пк, его угловой диаметр около 22', оно включает в себя несколько
сотен тысяч звезд (для определенности будем считать, что их там 300000
штук). На расстоянии 3800 пк угловой диаметр 22' соответствуют 5016000
а.е. или 24,3 пк. Это дает среднюю звездную плотность в скоплении 40,4
звезды на кубический парсек. В центре скопления (где сейчас и находится
Мафусаил) звездная плотность в десятки раз выше. Пусть она составляет
1000 звезд на кубический парсек. Тогда среднее расстояние между звездами
составит 0,1 пк или 20 тыс. а.е. В сияющем ночном небе Мафусаила будет
множество звезд, ярчайшие из которых будут достигать -6, -7 звездной
величины (в несколько раз ярче Венеры!) Получается, что ночное небо
Мафусаила не так уж сильно отличается от его дневного неба. Конечно,
белый карлик - крохотное местное солнышко - будет заметно ярче других
звезд (видимая звездная величина -13,2), но разница между ним и
ярчайшими ночными звездами будет совсем не так велика, как между Луной и
Солнцем или между Луной и Венерой в небе Земли. Учитывая, что ярких и
неярких звезд в небе Мафусаила очень много, а белый карлик один,
освещенность на дневной и ночной стороне планеты будет различаться всего
в несколько раз.
Скорее всего, у Мафусаила нет спутников. Сформированная из вещества,
бедного тяжелыми элементами, планета могла иметь ледяные спутники на
заре своего существования. Но многочисленные вспышки сверхновых в М4 и
мощное излучение аккрецирующего пульсара давно испарили все льды. Могло
остаться несколько каменных спутников размером в одну-две сотни
километров, но, наверное, нет и их. Также в окрестностях пульсаров,
скорее всего, нет и жизни. Ведь пульсары представляют собой доживающие
свой век звезды, выбрасывающие жесткое излучение чудовищной силы.
Одна из ближайших экзопланет обнаружена у звезды эпсилон Эридана, на
расстоянии 10,5 св. лет от Солнца. Она чуть меньше Юпитера и обращается
на расстоянии 3,3 а.е. от звезды чуть менее массивной и менее горячей,
чем Солнце. Лишь в одном случае (звезда HD 209458) Земля оказалась почти
в плоскости орбиты экзопланеты (i = 85,2 град.). Поэтому астрономы
систематически (дважды в неделю) наблюдают прохождение экзопланеты перед
звездой, вызывая мелкие (1,5%) затмения. Это позволило очень точно
установить орбитальные и физические параметры планеты и звезды. В
частности, имея массу 0,69 Мю, планета в 1,54 раза больше Юпитера по
размеру. Это не удивительно, если учесть, что она обращается на
расстоянии всего 0,045 а.е. от звезды, немного более массивной и
яркой, чем наше Солнце. В таком положении планета должна быть весьма
горячей и иметь протяженную атмосферу. Планетная
система, похожая на нашу, вращается вокруг звезды 55 Рака в одноименном
созвездии. Ранее уже было известно об одной планете у этой звезды,
также обнаруженной Батлером и Марси в 1996 году. Первая планета этой
системы, расположенной в 41 световом годе от Земли, - газовый гигант,
немногим меньше Юпитера, вращающийся от звезды на расстоянии в десять
раз меньшем, чем от Земли до Солнца. Новая планета находится в пять раз
дальше от звезды. Таким образом, по своим пропорциям новая система
похожа на нашу. Согласно расчетам Грега Лафлина из Калифорнийского
университета, планета размером с Землю вполне могла бы обращаться между
двумя газовыми гигантами, это подтверждают и фактические измерения
параметров этой системы.
В результате многолетних наблюдений за движением яркой звезды в
созвездии Часы (Horologium) получено доказательство обращения вокруг нее
планеты-гиганта с массой в 2,26 раз больше Юпитера. Сама звезда iota
Horologium (iota Hor) очень похожа на Солнце: ее масса - 1,03 солнечной,
спектр G0, а расстояние до нее всего 56 св.лет. Имея яркость 5,4
звездной величины, она заметна на небе невооружённым глазом. Эту звезду
в числе сотен других солнцеподобных звезд начали наблюдать еще в
1992 г.
Для измерения скорости столь яркой звезды хватало скромного
1,4-метрового телескопа. Но когда в 1997 г. стало ясно, что у нее есть
планета, к наблюдениям подключили более мощные инструменты. Еще два
года потребовалось международной команде астрономов для уточнения орбиты
открытой планеты. Оказалось, что iota Hor b движется по заметно
вытянутой орбите с эксцентриситетом 0,16. Если бы она находилась в
Солнечной системе, ее орбита в перигелии касалась бы орбиты Венеры, а в
афелии - орбиты Земли.
Также были обнаружены признаки существования воды в атмосферах планет
на орбитах других звёзд. Одна из трех планетарных систем находится на
орбите ипсилон-Андромеды и удалена на 50 св. лет. В этой системе
обнаружены три планеты, масса которых, пропорциональна массе Юпитера в
0.7, 2.1 и 4.6 раза. Эти планеты - газовые гиганты, хотя возможно, что в
состав системы входят до сих пор не обнаруженные малые планеты, похожие
на Землю.
Были также замечены зигзаги в движении пятой от Солнца звезды
Лаланд-21185. Сейчас получены веские доводы, что вокруг этой звезды
обращаются две планеты: одна с периодом 30 лет (масса 1,6 Мю, радиус
орбиты 10 а.е.) и вторая с периодом 6 лет ( 0,9 Мю, 2,5 а.е.). Для
подтверждения этого открытия ведутся наблюдения.
Изучение окрестностей карликовой звезды Gliese 876 ( лишь в 15 св. годах
от нас), в созвездии Водолея дало интересные результаты. Здесь в
январе 2001 г. обнаружились сразу две неизвестные до сих пор планеты,
движущиеся в резонансе ( за время, пока одна планета совершает на
внутренней орбите два оборота вокруг звезды, внешняя делает точно один
). Такая система достаточно не стабильна, и видимо раньше у звезды
было больше планет, но в ходе эволюции некоторые планеты были выброшены
за пределы системы, а другие наоборот значительно приблизились к звезде.
В 123 св. годах от нас, около солнцеобразной звезды HD 168443 в
созвездии Змеи находится минимум две планеты, одна из них газовый гигант
по меньшей мере в 17 раз превышает массу Юпитера, и поэтому должна
считаться коричневым карликом, но её орбита 2,73 а.е. с периодом около 5
земных суток находится в газово-пылевом диске слишком близко от
основной звезды, что противоречит теории образования планет.
Планетная
система, похожая на нашу, вращается вокруг звезды 55 Рака в одноименном
созвездии. Ранее уже было известно об одной планете у этой звезды,
также обнаруженной Батлером и Марси в 1996 году. Первая планета этой
системы, расположенной в 41 световом годе от Земли, - газовый гигант,
немногим меньше Юпитера, вращающийся от звезды на расстоянии в десять
раз меньшем, чем от Земли до Солнца. Новая планета находится в пять раз
дальше от звезды. Таким образом, по своим пропорциям новая система
похожа на нашу. Согласно расчетам Грега Лафлина из Калифорнийского
университета, планета размером с Землю вполне могла бы обращаться между
двумя газовыми гигантами, это подтверждают и фактические измерения
параметров этой системы. 
