Гайд по астрономии. Путешествие к границам безграничного космоса

M
0,5–0,1 m Sun
< 0,1 L
> 56 млрд лет
76,5 %
Sun
(Массы, светимости и относительные величины даются согласно значениям, приведенным по адресу: en.wikipedia.org/ wiki/Stellar_classification. Время жизни в миллионах и миллиардах лет рассчитывается исходя из формулы: τ = 1010 (m / MSun) / (L / LSun); результат выражается в годах. В радиусе 100 световых лет от Солнца находятся четыре звезды класса В. Ближайшая звезда класса О — ζ Змееносца — находится примерно в 400 световых годах от нас, далеко за пределами рассматриваемых здесь окрестностей Солнца.)
Что же тогда станет с окрестностями Солнца? Еще через миллиард лет или около того исчезнет Сириус. Через 5 млрд лет погибнет Солнце. Между тем каждая красная тусклая звезда класса М, когда бы она ни возникла, — даже если это произошло примерно 12 млрд лет назад, при рождении Млечного Пути, — продолжит свое существование и будет отличительным признаком наших небольших галактических владений. Звездообразующие газопылевые облака могут появляться и исчезать, но преобладать будут крошечные карлики спектрального класса М.
 Экзопланеты, ваш выход! 
Новости о планетах, найденных за пределами Солнечной системы, становятся все более удивительными. Недавно «Энциклопедия внесолнечных планет» перечислила более 4500 подтвержденных экзопланет в более чем 3200 систем. К тому времени, когда вы прочтете этот раздел, список может ощутимо пополниться. Все эти научные открытия происходят с 1992 года, когда за пределами Солнца удалось обнаружить первую планету, и, представьте себе, она вращалась вокруг нейтронной звезды. До этого были десятилетия ложных тревог и несбывшихся надежд. Я прекрасно помню, как преподавал астрономию в 1980-х годах и с энтузиазмом объявил об открытии первой экзопланеты только для того, чтобы опровергнуть эту новость на следующем уроке. Познакомьтесь с историей открытия экзопланет, и вы, возможно, проникнетесь волнением и восторгом, связанными с этой стремительно развивающейся областью астрономии.
До 2010 года подавляющее большинство открытий совершалось благодаря пристальному наблюдению за спектрами звезд-хозяек. Астрономы получали спектры с высоким разрешением, измеряли мельчайшие доплеровские смещения в длинах волн спектральных линий звезд и начали обнаруживать случаи периодического неравномерного движения звезд. Доплеровские смещения составляли менее 1/10 миллиона от номинальных длин волн, но этого хватало, чтобы сделать вывод о колебаниях звезды в несколько метров в секунду (скорость ходьбы). Подобные вращения звезд вокруг неподвижного центра указывали на гравитационное присутствие одной или нескольких ближайших планет. Преимущество такого метода для поиска экзопланет заключается в том, что астрономы могут определить как период обращения планеты, так и ее орбитальную скорость (с учетом наклона орбиты), что позволяет впоследствии вычислить гравитационную массу любой планеты, а также расстояние до планеты от ее звезды-хозяйки.
С 2010 года большинство открытий, связанных с планетами, было сделано с помощью космического телескопа «Кеплер». Этот солнечный орбитальный аппарат, запущенный в марте 2009 года, обнаружил множество планет, и некоторые из них размером не превышали Землю. «Кеплер» был специально настроен на то, чтобы непрерывно снимать один участок неба, охвативший созвездия Лебедя и Лиры. В этой области находится примерно 150 000 звезд, и телескоп мог отслеживать их свет с невероятной точностью. «Кеплер» не только наблюдал за естественными переменами блеска звезды, но и фиксировал любые временные спады в световом потоке, которые могли быть вызваны планетой, проходящей по звездному диску. При помощи этих световых профилей астрономы смогли определить как периоды обращения, так и размеры транзитных экзопланет. Однако для того чтобы высчитать их массы, необходимы и спектроскопические наблюдения, которые покажут, с какой скоростью планеты обращаются вокруг своих звезд-хозяек. Результаты, полученные благодаря «Кеплеру» и другим специализированным наземным телескопам, произвели революцию в том, что мы знаем о внесолнечных планетах.
 
Если ограничиться лишь теми планетами, что находятся от нас в пределах 100 световых лет, то нам известно примерно 650. В их число входят планеты, обращающиеся вокруг наших ближайших соседей — Проксимы Центавра и α Центавра В, а также вокруг других звезд, видимых невооруженным глазом. Для некоторых систем нам даже удалось получить изображения планет, которые движутся по орбите вокруг своих звезд-хозяек.
ПРОКСИМА ЦЕНТАВРА
24 августа 2016 года европейские астрономы сообщили об открытии планеты, двигавшейся по орбите вокруг Проксимы Центавра, звезды, ближайшей к нашей Солнечной системе. Этот тусклый красный карлик — отдаленный участник тройной звездной системы α Центавра. Доказательства существования планеты были получены с использованием метода радиальных скоростей (или доплеровской спектроскопии), при котором в спектре центральной звезды наблюдалось незначительное смещение длины волны с периодом в 11,2 дня. По оценкам, масса планеты, названной Проксима Центавра b, эквивалентна по меньшей мере 1,27 массы Земли, а протяженность большой полуоси ее орбиты составляет всего 0,05 а. е. Но насколько бы поразительной нам ни казалась близость планеты к ее звезде-хозяйке, считается, что по температуре ее поверхность близка к поверхности Марса (–39 °C) из-за очень низких показателей температуры и светимости самой звезды. Возможно, здесь важнее всего то, что планетные системы Проксима Центавра и α Центавра B наиболее близки к нашей Солнечной системе — и предоставляют наилучшие перспективы для исследования экзопланет с помощью автоматизированных космических аппаратов.
Реальное количество планет, распределенных по типам, остается неопределенным. Это связано с тем, что наиболее эффективные методы поиска планет — метод радиальных скоростей (он же метод Доплера) и метод транзитов — ориентированы на обнаружение крупных планет вблизи звезд-хозяек. Первый метод основан на том, что притяжение планеты вызывает возмущения в орбитальном движении звезды. Планеты с большей массой и/или те, что расположены ближе к своей звезде, будут вызывать самые заметные колебания. В основе второго метода — то, что планета, проходя на фоне звезды, значительно заслоняет свет последней. Чем больше планета, тем более резким будет итоговый спад общего блеска во время ее транзита. И чем ближе планета к своей звезде, тем больше вероятность того, что мы увидим, как она пройдет по диску звезды в своем истинном виде. Поэтому в текущем «урожае» экзопланет очень много планет размером с Юпитер, находящихся в пределах орбиты, эквивалентной орбите Земли.
Несмотря на эти погрешности наблюдений, астрономы нашли довольно много других планет, не столь массивных и достаточно далеких от своих звезд, что позволяет предположить наличие жидкой воды на их поверхности. Более того, полученные массы и размеры планет позволили ученым высказать догадки об их общем строении — иными словами, о том, являются ли они в основном газообразными, жидкими/ледяными или каменистыми. У нас уже есть и наглядные примеры «суперземель» с глубокими океанами, расположенными в пределах так называемой обитаемой зоны, и маленькая группа каменистых планет, подобных Земле. Между тем количество звезд с обнаруженными планетами, по-видимому, указывает на то, что почти у всех звезд должна быть хотя бы одна планета. Учитывая, сколько звезд могут странствовать по диску нашей Галактики, эта оценка предполагает, что где-то там, в космических безднах, находится от 100 до 400 миллиардов планет.
Исполняя свою миссию, «Кеплер», как мы уже упоминали, досконально исследовал весьма удаленные звезды на небольшом участке неба, устремив свои телескопы к созвездиям Лебедя и Лиры. Новая миссия с космическим телескопом TESS, запущенная в апреле 2018 года, исследует звезды, расположенные ближе к нам, — но по всему небосводу. Она уже собирает свой «урожай» в нескольких новых экзопланетных системах, которые именно по причине их близости к нам можно точнее распознать в ходе спектроскопических наблюдений, осуществляемых при помощи наземных телескопов, а теперь и космического телескопа «Джеймс Уэбб».