Планети інших систем: як вчені шукають другу землю

У знаменитому науково-фантастичному оповіданні Альфреда Ван Вогта «Чудовисько» (1948) описується ситуація далекого майбутнього, коли на Землю, спустошену космічним катаклізмом, прилітають інопланетяни. Вони воскресають місцевого жителя, і невдовзі з’ясовується, що людство освоїло безліч «чарівних» технологій, включаючи індивідуальну телепортацію, але все одно загинуло, бо не зуміло винайти «локатор», який знаходить придатні для життя планети у сусідніх зірок.

Завдання і справді здавалося нерозв’язним: на тлі світла будь-якої зірки малореально розрізнити відбите світло планети, тим більше з відстані кілька парсеків. Проте спроби такого роду робилися. Наприклад, відомо, що планета має гравітаційний вплив на своє світило – фактично вони обертаються навколо загального центру мас (барицентру). Оскільки зірка масивніша, її умовна орбіта буде набагато меншою, але методами астрометрії її теоретично можна зафіксувати.

Перші розрахунки щодо змін у положенні зірок під впливом планет зробив англійський астроном Вільям Джейкоб ще в XIX столітті, а в 1963 році голландець Пітер ван де Камп заявив, що виявив періодичні коливання в русі зірки Барнарда, яку називають “Летючою” за високу швидкість щодо Сонця. (142,6 км/с). Він спостерігав за нею з 1938 року, проводячи копіткі порівняння фотографій, і дійшов висновку, що у зірки Барнарда є як мінімум одна планета-гігант, в півтора рази масивніша за Юпітера.

Пізніше Ван де Камп уточнив результат свого дослідження, заявивши, що коливання створюють дві планети-гіганта менших розмірів. Його відкриття прийняли із захопленням, проте 1973 року з’явилося відразу кілька публікацій від колег, які не змогли підтвердити відкриття. Гірше того, американські астрономи показали, що надійність виявлення планет методом астрометрії завжди буде під питанням, оскільки коливання зірки під впливом гравітації невидимих планет легко прийняти спотворення, що виявляються після очищення чи заміни об’єктива телескопа.

Але Пітер ван де Камп не прислухався до аргументів критиків, а його соратники, використовуючи астрометричний метод, оголосили про відкриття планет у інших зірок. Наприклад, в 1977 році співробітники Пулковської обсерваторії заявили, що подвійна зірка 61-ї Лебедя має три планети-гіганти, маса кожної з яких у рази перевершує масу Юпітера. Полеміку навколо відкриттів помітили популяризатори та фантасти, які одразу зайняли бік оптимістів, погодившись, що коливання у русі світил говорять про наявність невидимих планет.

Наступний крок у пошуках планет зробили 1991 року поляк Олександр Вольщан та канадець Дейл Фрейл. Вивчаючи пульсар PSR 1257+12 (Лич), вони виявили, що частота імпульсів, що приходять від нього, періодично змінюється. Пояснення могло бути лише одне: навколо пульсара обертаються невидимі тіла. Усього вдалося визначити присутність трьох планет, порівнянних за розміром із Землею. Пізніше їм надали імена на честь надприродних істот: Драугр, Полтергейст і Фобетор.

Хоча, на відміну від попередників, Вольщан та Фрейл отримали надійні докази, їхнє відкриття не викликало великого інтересу. Справа в тому, що з погляду науки вони виявили “неправильні” планети. Пульсар виникає під час вибуху наднової, який руйнує планетну систему — всі тіла у ній або випаровуються, або викидаються у вільний політ. Тому «пульсарні» об’єкти, найімовірніше, утворилися після вибуху із залишків зірки і є рідкісні аномалії, якими не можна судити про поширеність і властивості планет у звичайних зірок.

Перше відкриття справжньої екзопланети відбулося пізніше. 6 жовтня 1995 року Мішель Майор і Дідьє Кело з Женевського університету (Швейцарія) заявили, що їм вдалося виявити планету у сонцеподібної зірки Гельветіос (51 Пегаса), яка знаходиться від нас на відстані 49 світлових років. Майор писав докторську дисертацію, присвячену відхиленням у траєкторіях зірок під гравітаційним впливом рукавів Галактики.

Для вимірювання відхилень потрібно було визначити власну швидкість зірки, і це робили, спираючись на ефект Доплера. Відомо, що коли зірка наближається до нас, її спектр зміщується в синю область, а коли віддаляється – в червону. Якщо підвищити точність виміру, помітні зсуви, пов’язані не тільки з рухом зірки щодо Землі, але і з рухом навколо барицентру. Тобто метод фіксує самі параметри, як і астрометричний, але надійніше.

Як шкала використовувалися пари йоду. Прозора комірка з ними поміщалася в телескоп таким чином, щоб на виході виходив змішаний спектр. Виявилося, що таке накладення дозволяє масштабувати найменші усунення у випромінюванні зірки, помітно посилюючи ефект.

Майор та його помічник Кело працювали з телескопом обсерваторії Верхнього Провансу на півдні Франції. До кінця 1994 року вони провели 12 вимірювань швидкості 51 Пегаса — і відразу зрозуміли, що мають справу з чимось винятковим. Зміни у спектрі вказували на наявність у зірки невидимого супутника, але спроби розрахувати його фізичні характеристики призводили до абсурдного висновку. Передбачувана планета була вдвічі легша за Юпітера, але все одно залишалася гігантом. Такі планети в Сонячній системі знаходяться на далеких орбітах, а виявлене небесне тіло було в 20 разів ближчим до своєї зірки, ніж Земля до Сонця!

Існування подібного об’єкта разом перекреслювало уявлення астрофізиків про те, як формуються планети. Тому Майор вирішив перевірити ще раз результати, провівши нову серій спостережень у червні 1995 року. І все підтвердилось! Фактично в ті дні було відкрито не одну планету, а цілий їхній клас, названий «гарячими юпітерами».

Доплерівський метод розвивали не лише швейцарці. Паралельно в Університеті Берклі (США) працювала група під керівництвом Джефа Марсі та Пола Батлера. Їхнє обладнання було досконалішим, а пошуки планет — більш систематичними. Вони теж звернули увагу на 51 Пегаса, але виключили її зі списку кандидатів на вивчення, оскільки в каталозі вона помилково значилася як «спалахує». Коли ж швейцарці оголосили про своє відкриття, американцям нічого не залишалося, як підтвердити його.

Суперечка про пріоритет тривала багато років, і за підсумками Нобелівської премії 2019 року в галузі фізики за відкриття першої екзопланети отримали лише Мішель Майор та Дідьє Кело.

Екзопланета, відкрита швейцарцями та нині відома під ім’ям Демідій, надихнула інших астрономів на пошуки «гарячих юпітерів». За рахунок своїх розмірів та близькості до батьківської зірки вони дають досить сильне усунення в спектрі, що легко виявляється доплерівським методом. Однак він має серйозний недолік — висока приладова селекція, яка не дозволяє надійно визначити наявність планет малої маси на орбітах, близьких до кругових.

Наприкінці ХХ століття все частіше почав використовувати метод транзитної фотометрії. Коли екзопланета проходить по диску зірки, впливає її світність — виникає свого роду сонячне затемнення. Звичайно, такі транзити можна було спостерігати і раніше, але зниження світності, особливо у далеких зірок, настільки незначне, що його неможливо зафіксувати без використання спеціальної техніки. Наприклад, планета розміром із Землю, що проходить через сонцеподібну зірку, робить затемнення лише на 0,008%.

Сучасні комп’ютери, здатні обробляти великі масиви даних, вирішують цю проблему, але з кінця. Як показала практика, мало хто з екзопланет мають зручні спостереження орбіти, тому метод має сенс використовувати задля вивчення конкретних світів, а збору статистики. Крім того, є шанс зняти спектр відбитого світла транзитної планети, що дасть воістину безцінну інформацію.

В 1999 новий метод випробували на екзопланеті Озіріс (HD 209458 b), що знаходиться в сузір’ї Пегаса і відкритої раніше за допомогою доплерівської спектроскопії. Вона очікувано виявилася «гарячим юпітером». У березні 2005 року фахівці NASA провели пряме спостереження Озіріса в інфрачервоному світлі за допомогою космічного телескопа “Спітцер”; пізніше вдалося зняти спектри екзопланетної атмосфери, яка в основному складається з водню та вуглецю. Також у ній було виявлено водяну пару, але ці дані ще вимагають перевірки.

Метод транзитної фотометрії використовувався у проекті “Трансатлантичний екзопланетний огляд” (Trans-Atlantic Exoplanet Survey, TrES), який об’єднав три телескопи різних обсерваторій. У його рамках з 2004 до 2011 року було відкрито ще п’ять «гарячих юпітерів».

Справжній прорив у пошуках екзопланет відбувся після запуску двох космічних телескопів – CoRoT (Convection, Rotation and planetary Transits) та “Кеплер”. Перший виявив 30 підтверджених екзопланет, другий — понад 2300, серед яких є землеподібні. Телескопи фіксували зміни у світності великої кількості зірок, що знаходяться в певних ділянках піднебіння, що дозволило зібрати масив даних про поширеність класів екзопланет у Галактиці. Майже половина з них має порівняно невеликі розміри, а 78 обертаються в зонах проживання своїх світил, тобто можуть бути місцем, сприятливим для появи та розвитку життя.

До речі, ні зірка Барнарда, ні 61-й Лебедя після впровадження нових методів пошуку планети-гіганти так і не були виявлені — «відкриття» 1970-х не підтвердилися.

За 25 років пошуків виявлено вже 4100 світів. Сьогодні вважається доведеним, що екзопланет дуже багато; що вони можуть формуватися у подвійних та потрійних зірок; що існують планетні системи, подібні до Сонячної; що у екзопланет є атмосфери, в яких можна знайти водяні пари та найпростішу органіку. Знайдено давню екзопланету віком 12,8 мільярда років і зовсім юну, якій лише два мільйони років. Методом гравітаційного мікролінзування зафіксовано дві екзопланети у галактиці Туманність Андромеди. Методом коронографії, що «прибирає» світло зірки, отримані перші прямі фотознімки екзопланет. У космосі працює обсерваторія TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite), яка змінила “Кеплер”.

Проте найбільший інтерес викликають, звісно, «сестри» Землі. Адже ми точно знаємо, що умови на планеті, схожій на нашу, будуть найкращими для життя. Якщо навіть вона стерильна, то все одно виглядатиме привабливою, оскільки колись може стати новим будинком для людства.

Першу землеподібну екзопланету в зоні проживання виявив телескоп «Кеплер», про що було оголошено у квітні 2014 року. Вона отримала позначення Kepler-186f і досі залишається одним із найкращих кандидатів на статус другої Землі. Але в найближчому майбутньому ми навряд чи зуміємо дізнатися про неї більше, адже зірка, навколо якої обертається ця планета, знаходиться за 582 світлові роки від нас. Тому має сенс придивитися до тих, що поряд.

У серпні 2016 року міжнародна група вчених, яку очолив астрофізик Гіллем Англада-Ескуде, повідомила, що методом доплерівської спектроскопії вдалося виявити землеподібну планету у Проксіми Центавра — найближчої до Сонця зірки, яка знаходиться на відстані 4,2 світлових років від нас. При цьому кругова орбіта планети лежить у зоні проживання.

Проксима – червоний карлик і відома серйозною вдачею: на ній постійно відбуваються сильні спалахи. При цьому планета знаходиться під потоком рентгенівського випромінювання, потужність якого приблизно в 400 разів вища за ту, яку випромінює наше Сонце. Втім, якщо власне обертання планети синхронізоване з обертанням навколо зірки, то вона завжди повернена до світила однією стороною, а на вузькій смузі між денною та нічною півкулями мають підтримуватись стерпні умови для життя. За наявності сильного магнітного поля, щільної атмосфери та запасів води планета буде цілком придатною для колонізації.

Більше подробиць про цей світ астрономи сподіваються отримати за допомогою Дуже великого телескопа (він так і називається Very Large Telescope, VLT), який почав роботу в чилійській пустелі Атакама. Його приладового дозволу вистачає, щоб визначити, чи має найближча до нас екзопланета атмосфера, а якщо так, то який її склад. Після цього можна буде будувати обґрунтовані моделі та обговорювати можливість відправлення дослідницького зонду.

* * *

Похмуре пророцтво Альфреда ван Вогта не виправдалося: земляни зуміли збудувати «локатор», який знаходить планети в інших зірок. Залишилося навчитися туди літати.