Космология

Скрытое сокровище: первое доказательство существования экзопланет

Отправлено: Декабрь 7, 2017 в 22:48

Категория: «Переводы»

Под элегантным офисным зданием с красной черепичной крышей в испанском стиле в Пасадене, штат Калифорния, в трех комнатах хранится история более чем ста лет астрономии. Спустимся по лестнице и направо – в подвал полный чудес. От пола и до потолка помещение заставлено бесчисленными деревянными ящиками с фотопластинками, рисунками солнечных пятен и прочими записями. Воздух наполняет слабый запах аммиака, напоминающий о старых фотографиях.

Склад обсерватории Карнеги
Склад в обсерватории Карнеги в Пасадене, на котором хранятся архивные данные телескопов Маунт-Вилсон и другие астрономические записи.
NASA/JPL-Caltech

Вход на склад преграждает черная дверь с табличкой, гласящей: «Эта дверь должна быть закрыта».

В обсерватории Карнеги хранятся 250 000 фотографических пластин с телескопов в Маунт-Вилсон, Паломар и Лас-Кампанас за последние 100 с лишним лет. В свое время 60-дюймовый и 100-дюймовый телескопы Маунт-Вилсон были самыми мощными в мире, строительство последнего было завершено 1 ноября 1917 года. Оба телескопа кардинально изменили представления человечества о нашем месте во вселенной. Но эти чудеса техники опередили свое время – одно из наблюдений, свидетельство существования далеких миров, ждало своего признания на протяжении столетия.

Обсерватория Маунт-Вилсон – это место, где в начале 20-го века были сделаны несколько ключевых для космологии открытий. Именно здесь Эдвин Хаббл понял, что Андромеда (или М31) лежит далеко за пределами Млечного Пути, а значит наша вселенная гораздо больше, чем считалось. Фотопластинка 1923 года со 100-дюймового телескопа Хукера, которая привела к этому монументальному открытию, в виде огромного постера висит на входе склада обсерватории Карнеги.

Галактика Андромеда M31
Фотография, показывающая, что Андромеда – это другая галактика (кликабельно).
Carnegie Observatories

Хаббл и Милтон Хьюмасон, начинавший карьеру в Маунт-Вилсон на должности разнорабочего, работали вместе над исследованием расширяющейся природы вселенной. Используя легендарные телескопы, а также данные обсерватории Лоуэлла в Флагстаффе, штат Аризона, они узнали, что скопления галактик удаляются друг от друга – и более отдаленные галактики удаляются друг от друга с большей скоростью.

Но существует и другое, гораздо менее известное открытие, совершенное 100 лет назад в обсерватории Маунт-Вилсон, о котором узнали и которое смогли оценить лишь недавно. Это первое доказательство существования экзопланет.

Детективная история

[Обратите внимание, что в к конце статьи имеется глоссарий – прим. переводчика]

Все началось с Бена Цукермана, почетного профессора астрономии в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе. В июле 2014 года он готовил доклад о композиции планет и астероидов за пределами Солнечной системы для симпозиума, куда его пригласил Джей Фарихи. Последний предложил Цукерману рассказать о загрязнении белых карликов – тусклых и плотных остатков звезд, некогда похожих на Солнце, но которые исчерпали запасы своего ядерного топлива и сбросили внешние слои. Под «загрязнением», астрономы подразумевают наличие тяжелых элементов во внешней атмосфере таких звезд. Дело в том, что таких элементов там быть не должно – под сильным гравитационном воздействием белого карлика они должны были устремится во внутренние слои звезды и навсегда пропасть из спектра.

Первый загрязненный белый карлик был назван «ван Маанен 2», в честь Адриана ван Маанена, который открыл его в 1917 году. Астроном Уолтер Сидней Адамс, который позднее стал директором Маунт-Вилсон, при помощи 60-дюймового телескопа получил спектр этой звезды – своего рода отпечаток пальцев для химического состава. Проводя анализ спектра Адамс квалифицировал первоначальный объект как звезду F-типа с температурой несколько выше, чем у Солнца. Такой вывод базировался на уровне кальция и других абсорбционных свойствах тяжелых элементов.

Сегодня мы знаем, что звезда ван Маанена, которая находится на расстоянии около 14 световых лет, является ближайшим к Земле белым карликом, который не является частью двойной системы.

«Эта звезда – икона», — сказал недавно Фарихи. «Она первая в своем роде. Это прото-прототип».

Подготавливая свою речь, Цукерман столкнулся с тем, что позже назвал «истинным моментом прозрения». Астрономы, изучавшие звезду ван Маанена на протяжении десятилетий, даже не подозревали, что перед ними первое наблюдаемое свидетельство существования экзопланет.

Как это все связано с экзопланетами?

Тяжелые элементы, наблюдаемые во внешних слоях, не могли быть произведены внутри звезды, так как интенсивное гравитационное поле белого карлика не дало бы им подняться к поверхности. Когда в XX веке были обнаружены белые карлики с тяжелыми элементами в фотосфере (верхнем слое атмосферы), ученые пришли к заключению, что это экзотическое вещество попало туда из межзвездной среды.

Но в 1987 году, более чем через 70 лет после получения спектра звезды ван Маанена, Цукерман и его коллега Эрик Беклин сообщили о наблюдении избыточного инфракрасного излучения от белого карлика, который, по их мнению, мог исходить от «несостоявшейся звезды», так называемого коричневого карлика. Уже в 1990 году подобные наблюдения было принято интерпретировать, как наличие горячего пылевого диска, вращающегося вокруг звезды. К началу 2000-х годов появилась новая теория о загрязнении белых карликов: экзопланеты могут подтолкнуть небольшие каменистые тела, такие как астероиды, в направлении звезды, где мощная гравитация «перемалывает» их в пыль. Этот космический мусор, содержащий тяжелые элементы, затем падает на звезду и создает наблюдаемое загрязнение.

«Суть в том, что, если вы астероид или комета, вы не можете просто взять и изменить свою орбиту. Нужно чтобы, что-то вас подтолкнуло», — сказал Фарихи. «Безусловно, лучший кандидат на эту роль – планеты».

Космический телескоп NASA «Спитцер» сыграл важную роль в наблюдении загрязненных белых карликов, вокруг которых вращаются горячие пылевые диски. С момента запуска в 2004 году Спитцер нашел около 40 таких звезд. Еще один космический телескоп WISE (широкоугольный инфракрасный обзорный исследователь), также обнаружил несколько подобных объектов. Поскольку белые карлики чрезвычайно тусклые, инфракрасное излучение играет решающую роль в их обнаружении.

«Мы не можем измерить точное количество инфракрасного света, поступающего от таких объектов, с помощью телескопов на поверхности Земли», – говорит Фарихи. «Спитцер, в буквальном смысле, совершил прорыв в данной области».

Телескоп Spitzer
Космический телескоп Спитцер.
NASA/JPL-Caltech

Развивая новую теорию «пылевых дисков», в 2007 году Цукерман и его коллеги опубликовали результаты наблюдений за белым карликом, в атмосфере которого были обнаружены 17 элементов, похожих на те, что входят в состав Земли и Луны. Покойный профессор Майкл Юра из Лос-Анджелеса, который внес существенный вклад в изучение загрязненных белых карликов, также был частью этой команды. Это открытие стало еще одним доказательством того, что по крайней мере одно небольшое каменистое тело (или даже планета), было разорвано гравитацией белого карлика. На данный момент ученые в целом согласны с тем, что белые карлики с тяжелыми элементами в спектре окружены поясом из пыли и мелких каменистых осколков, а также в системе присутствует по крайней мере одна планета.

Таким образом, тяжелые элементы из межзвездной среды, более не учитываются при объяснении подобного рода наблюдений. «Примерно через 90 лет после открытия ван Маанена астрономы сошлись во мнении, что модель аккреции межзвездного вещества не верна», – сказал Цукерман.

В погоне за спектром

Вдохновленный Цукерманом, Фарихи влюбился в мысль, что в 1917 году кто-то мог получить спектр с первым доказательством существования экзопланет, и что об этом наблюдении обязательно должна быть запись. «Я буквально вцепился в эту идею и не собирался ее отпускать», – сказал он.

Фарихи обратился в обсерваторию Карнеги, которая хранит архивные записи с телескопов Маунт-Вилсон. Директор обсерватории Джон Мулчай поручил волонтеру Дэну Коне заняться этим вопросом. Коне успешно справился с поставленной задачей и через два дня изображение спектра было отправлено Фарихи.

«Я не могу сказать, что был шокирован, честно говоря, я чуть со стула не упал. Доказательства, которые я искал, были видны даже невооруженным глазом», – сказал Фарихи.

Спектр звезды ван Маанена, который искал Фарихи, теперь хранится в небольшом крыле архива. На конверте со снимком стоит рукописная дата «24 октября 1917 года» и красуется современный желтый стикер с текстом: «возможно, первая обнаруженная экзопланета».

Конверт со спектром
Текущее место хранения спектра звезды ван Маанена (кликабельно).
NASA/JPL-Caltech

Синтия Хант, астроном, который занимает должность председателя комитета по истории Карнеги, извлекла стеклянную пластину из конверта и закрепила ее на доске с подсветкой, чтобы можно было сделать фото. Сам спектр по размеру чуть больше 0,4 сантиметра.

Спектр звезды ван Маанена
Спектр звезды ван Маанена.
Dan Kohne / Carnegie Observatories

Хотя на первый взгляд пластинка кажется ничем не примечательной, Фарихи увидел два явных «зубца», представляющих собой провалы в спектре. Для него это было очевидным доказательством: две линии поглощения одного и того же иона кальция, то есть в фотосфере белого карлика есть тяжелые элементы, а это указывает на то, что вокруг него вращается по крайней мере одна экзопланета. В 2016 году Фарихи опубликовал свое «расследование» в журнале «New Astronomy Reviews».

Линии спектра ван Маанена
Увеличенное изображение фрагмента спектра (кликабельно).
Carnegie Institution for Science

Экзопланеты и диски комического мусора

Ученые давно считают, что гравитация гигантских планет способствует формированию поясов из космического мусора, особенно в молодых планетных системах. Недавнее исследование, опубликованное в «The Astrophysical Journal», показало, что у молодых звезд, с дисками из пыли и мелких осколков, часто на удаленных орбитах имеются гигантские планеты. При этом вероятность их обнаружения у звезд без дисков заметно ниже.

Белый карлик – не молодая звезда, напротив, он образуется, когда звезда низкой или средней массы уже сожгла все свое топливо. Но принцип тот же: гравитационное притяжение гигантских экзопланет может «бросать» небольшие, каменистые тела в сторону звезды.

Наше Солнце станет красным гигантом примерно через 5 миллиардов лет, оно расширится настолько, что может даже поглотить Землю. К этому времени гравитационное влияние Юпитера, вероятно, начнет оказывать разрушительное влияние на пояс астероидов, газовый гигант будет выбрасывать из него объекты в направлении значительно увеличившейся звезды. Потом Солнце сбросит свои внешние слои и станет белым карликом. Подобный сценарий мог бы объяснить тяжелые элементы в спектре звезды ван Маанена.

Однако, найти планету возле звезды ван Маанена до сих пор не удалось. По факту, на сегодняшний день нет подтвержденных случаев обнаружения экзопланет на орбитах белых карликов, имеется только один хороший кандидат на роль газового гиганта. Другие убедительные доказательства в пользу теории появились относительно недавно. Астрономы, работающие в обсерватории Кека на Гавайях, в том числе и Цукерман, недавно объявили об обнаружении свидетельства того, что объект, похожий на те, что встречаются поясе Койпера, был поглощен белым карликом.

Ученые продолжают изучать данный класс звезд и ведут поиски экзопланет на орбитах вокруг них. Около 30 процентов всех белых карликов, о которых мы знаем, загрязнены, но их диски достаточно сложно обнаружить. Майкл Юра выдвинул предложение, что при интенсивных столкновениях мелкого космического мусора (из-за постоянного притока астероидов), пыль в диске может превратиться в газ, который значительно слабее излучает в инфракрасном диапазоне.

Фарихи был в восторге от того, чем обернулось его детективное расследование. В 2016 году он описал свою историческую находку в обзорном документе о загрязненных белых карликах, утверждая, что эти компактные звезды являются «неотъемлемой частью исследования экзопланетных систем».

Кто знает, какие еще сокровища сокрыты в архивах обсерваторий и ждут своего часа – в науке наблюдения за небом и в астрономических записях много тонкостей. Разумеется, те, кем движет любопытство, кто задает правильные вопросы, всегда смогут найти ключ к разгадке.

Телескоп Хокера
Столетний 100-дюймовый телескоп Хокера.
NASA/JPL-Caltech

Глоссарий

Экзопланета – планета на орбите любой звезды, кроме Солнца.

Белый карлик – тусклая, плотная, компактная звезда – остаточное ядро, результат эволюции звезд средней массы (подобных Солнцу), которые исчерпали свое ядерное топливо и сбросили внешние слои. В составе преобладает кислород и углерод, но часто имеются тонкие слои водорода и гелия.

Звезда F-типа – несколько более горячая, более массивная и более яркая, чем наше Солнце звезда, относящаяся к главной последовательности.

Пояс астероидов – область между Марсом и Юпитером, заполненная миллионами небольших каменистых тел. Самый крупный объект – карликовая планета Церера.

Пояс Койпера – дискообразный регион за пределами орбиты Нептуна, преимущественно состоящий из ледяных тел. В число крупнейших известных объектов входят карликовые планеты Плутон, Хаумеа и Макемаке.

Оригинал статьи: Overlooked Treasure: The First Evidence of Exoplanets