Планетные системы блиЖайших звезд
Обнаружение планет у других звезд по модуляции лучевых скоростей навсегда останется за пределами возможного.
Р.Г.Айткен. 1938 г.
Л.В.Ксанфомалити, Л.М.Зеленый, А.В.Захаров, О.И.Кораблев
Недавняя смена тысячелетий ознаменовалась сразу нескольким грандиозными открытиями в астрофизике. Мир, еще недавно казавшийся таким надежным, уходит из-под наших ног: на него приходится всего 4% массы таинственной темной Вселенной. Другое вполне сравнимое по масштабам открытие — открытие бесчисленных внесолнечных планетных систем, которое привело к глубокой ревизии представлений о происхождении самой Солнечной системы и к новым идеям о возникновении планетных систем других звезд.
В 1970-х годах аккреционная теория происхождения планетных систем казалась «почти» завершенной [1 — 3]. Однако, когда в 1990-х годах были открыты внесолнечные планеты, в планетную физику устремились многие талантливые исследователи, и существенный прогресс в теоретических и экспериментальных работах привел к тому, что за последние годы аккреционная теория создана практически заново. Образование планет оказалось явлением в высшей степени хаотическим, приводящим в каждом отдельном случае к различным результатам.
Радикально другими по сравнению с прежними представлениями теории выглядят почти все этапы образования планетных систем вообще и Солнечной системы в частности. Предполагавшаяся ее типичность оказа-
© Ксанфомалити Л.В., Зеленый Л.М., Захаров А.В., Кораблев О.И., 2010
Леонид Васильевич Ксанфомалити,
доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией радиометрии Института космических исследований (ИКИ) РАН. Научный руководитель экспериментов по исследованиям планет. Область научных интересов — физика планетных тел Солнечной и звездных систем, поиск жизни на планетах. Член Международного астрономического союза.
Лев Матвеевич Зеленый, академик, директор ИКИ РАН, профессор Московского физико-технического института. Научные интересы связаны с плазменными процессами в космической среде, физикой и эволюцией Солнечной системы. Член ряда международных научных организаций, включая Международную академию астронавтики. Член редколлегии журнала «Природа».
Александр Валентинович Захаров,
доктор физико-математических наук, ученый секретарь ИКИ РАН. Занимается физикой космической плазмы, исследованиями малых тел Солнечной системы. Член Международной академии астронавтики.
Олег Иванович Кораблев, доктор физико-математических наук, заместитель директора и заведующий отделом физики планет того же института. Специалист в области физики планет, научный руководитель экспериментов на отечественных и зарубежных космических аппаратах в программах «Марс-96», «Марс Экспресс», «Венера Экспресс», «Бепи Коломбо».
лась иллюзорной, а протосол-нечная туманность возникла вовсе не в изолированной от других звезд области. Близкие звезды, среди которых были и сверхновые, сыграли важную роль в ее формировании, а временная шкала образования Солнечной системы оказалась значительно короче, чем полагали прежде. Начальные орбиты газожидких планет Юпитера и особенно Сатурна значительно отличались от современных. «Ледяные гиганты» Уран и Нептун образовались, по-видимому, совсем не там, где сегодня расположены их орбиты. Население пояса астероидов подверглось полному разрушению с последующим обновлением. Среди главных процессов в образовании планет группы Земли были их катастрофические соударения.
Многие физические процессы, которые оказались критическими в формировании планет, были известны и прежде, но почему-то внимание исследователей не привлекали. Здесь мы расскажем лишь о некоторых важных результатах теоретических исследований процессов формирования Солнечной системы и о новых экспериментальных данных, полученных в ходе изучения планетных систем сравнительно близких звезд. Но начать следует с краткого изложения истории открытия вне-солнечных планет — сейчас их называют экзопланетами.
Что ожидали найти
Открытие в 1995 г. внесолнеч-ной планеты-гиганта 51 Peg b было стартом новой планетной физики. Исследователи получили уникальный экспериментальный материал, который позволил по-новому взглянуть на аккреционные процессы*. Важным фактором для теории оказалась обнаруженная миграция (смещение) массивных эк-
* Аккреция — поглощение пыли и газа какими-либо небесными телами.
зопланетных тел с высоких орбит, подобных орбитам Юпитера и Сатурна, до неожиданно низких околозвездных орбит — явление, которого Солнечная система, по-видимому, каким-то образом избежала.
Отправной точкой в поиске других планетных систем в ХХ в. считалась хорошо известная структура Солнечной системы. Напомним здесь, как она устроена. Близко к Солнцу располагаются четыре планеты земного типа — Меркурий, Венера, Земля с Луной и Марс. Все они имеют высокую среднюю плотность, 3.5—5.5 г/см3 и, за исключением Меркурия и Луны, обладают атмосферами. Их удаленность от Солнца, считая в расстояниях от Земли до Солнца (1 а.е = 150 млн км), составляет от 0.4 до 1.5 единиц. На схеме рис.1 планеты земного типа находятся в центральной ее части. Гораздо дальше, в 5—30 а.е. от Солнца, располагаются планеты-гиганты, разделенные значительно большими расстояниями. В отличие от Земли они имеют газожидкую при-
роду. Эту группу возглавляет Юпитер (рис.2), масса которого в 318 раз больше массы Земли и составляет удобную одну тысячную (точнее, 1/1047) массы Солнца. Все гиганты имеют кольца разной плотности и огромное количество лун; у Сатурна их больше 60. Между орбитами Марса и Юпитера находятся орбиты многих тысяч малых планет, имеющих небольшие размеры, преимущественно около сотни километров. Размеры трех из них близки к 500 км, а диаметр Цереры около 1000 км. Размеры многих тысяч других — лишь несколько километров, а то и сотни метров (рис.3). Между орбитами гигантов также обращаются малые тела (группа Кентавров). Орбиты транснепту-новых объектов (ТНО) располагаются начиная с расстояния 39 а.е. Их возглавляет двойная планета Плутон-Харон, которую, впрочем, Международный астрономический союз в 2006 г. лишил звания планеты. Логика такого решения в том, что обнаружено много других ТНО, причем
s световых часов
Пишми » 7
Меркурии
—^-~-~уран__.___¿—Щ-_ ___
■ " • М.,р< ___Венера^--
. Сатурн"—--Земля__
I & £
Ь I 1
Е1" • «
Ш 14
ш*
Рис.1. Солнце, орбиты планет и их относительные размеры. Орбиты планет почти компланарны.
Рис.2. Планета-гигант Юпитер, масса которой превышает массу Земли в 318 раз. Снимок с аппарата «Cassini».
Рис.3. Астероид Итокава. Пояс астероидов состоит из сотен тысяч малых тел, орбиты большинства которых расположены главным образом между орбитами Марса и Юпитера. Но не всех. Орбита астероида Итокава проходит между орбитами Земли и Марса. Размер Ито-кавы около полукилометра. Снимок с японского аппарата «НауаЬ^а».
некоторые почти вдвое больше Плутона. Пояс ТНО тянется до 50 а.е. и дальше. Кометы, еще одна группа населения Солнечной системы, имеют типичные размеры небольших астероидов и находятся на очень вытянутых орбитах, с перигелием (самой низкой по отношению к Солнцу точкой орбиты) часто даже ниже орбиты Меркурия и с афелием (максимальным удалением) в десятки тысячи а.е. (у долгоперио-дических комет). Там, вдалеке, подобные тела образуют Облако Оорта, откуда под действием гравитационных полей разного происхождения они иногда (или периодически) отправляются к Солнцу. Если орбиты планет располагаются примерно в одной плоскости, близкой к плоскости орбиты Земли (эклиптике), то кометы могут прийти откуда угодно. Остается сказать, что все планеты и спутники вращаются вокруг своей полярной оси, причем, если их орбита низкая, как у Меркурия или у галилеевых спутников Юпитера, их вращение синхронизируется с орбитальным обращением. Скорости орбитального движения планет очень различны: от 50 км/с у Меркурия и 30 км/с у Земли до 2 км/с у ТНО, в соответствии с замечательным третьим законом Кеплера. Если в пределах планетных систем расстояния удобно обозначать в а.е., то для звездных расстояний астрономы предпочитают парсек (1 пк — расстояние, которое свет проходит за 3.26 года) или просто световой год. А одна астрономическая единица — это всего 8 световых минут.
Предполагалось, что и другие планетные системы тоже должны выглядеть примерно как Солнечная система с расстояния, скажем, 5 пк (удаленность ближайших звезд). Расчеты показывали, что свет звезды маскирует присутствие планет и при очень больших ухищрениях можно попытаться обнаружить только Юпитер. Так как его орбитальный период 12 земных лет, план поисков должен
был предусматривать постоянные наблюдения в течение 10— 30 лет. Поэтому немногочисленные группы астрономов, которые пытались найти внесол-нечные планеты, складывали результаты на полки, надеясь разобраться в них как-нибудь на досуге, а теоретики проводили малоутешительные расчеты.
Немного истории
В ХХ в. самой долгой была история поиска планет у звезды Барнарда, на которую стоит отвлечься, чтобы рассказать, как их искали.
Звезда Барнарда была открыта в 1916 г. Это четвертая из ближайших к Солнцу звезд, сравнительно холодная и маломассивная красная звезда. Тогда за находки комет правительство США платило премии, и Э.Барнард был охотником за кометами. Звезда Барнарда перемещается по небу быстро, около 10 секунд дуги в год. Позже, в 1938 г., движение звезды Барнарда начал изучать другой исследователь из США, П.Ван де Камп. Он использовал астрометрический метод* и продолжал эту работу до 80-х годов ХХ в. Ван де Камп утверждал, что, если сложить снимки звезды Барнарда, ее след образует слабоволнистую линию. Он предполагал, что колебания возникают под действием массивной планеты, обращающейся вокруг звезды. Положение центра масс такой системы, барицентра, находится на линии, соединяющей планету и звезду, и во столько же раз ближе к звезде, во сколько масса звезды больше массы планеты. Периодические колебания положения звезды тем заметнее, чем меньше ее собственная масса. Ван де Камп считал, что планета имеет массу не менее массы Юпитера, причем, возможно,
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.