Миллиарды и миллиарды планет?

Существуют ли другие планеты за пределами Солнечной системы? Взгляните в ночное небо невооруженным глазом, и вы увидите около 3000 звезд. Еще 3000 останутся под вами, над другим полушарием Земли. Все эти звезды находятся в галактике Млечный Путь — нашей Галактике. С помощью телескопа можно разглядеть еще больше звезд, которые светят не так ярко. Хотя точно посчитать количество всех звезд в галактике Млечный Путь невозможно (они собраны в скопления, в которых их трудно отделить одну от другой), можно определить общее количество света, испускаемое всеми звездами, и поделить эту величину на величину излучения среднестатистической звезды. Такие подсчеты дают цифру в 400 млрд звезд в нашей Галактике. Каждая звезда очень похожа на наше Солнце. Одни из них ближе к нам, другие дальше. Одни горячее и ярче Солнца, другие, наоборот, холоднее и тусклее. Каждая звезда — это светящийся шар, состоящий из ионизированного газа, в недрах которого происходят реакции термоядерного синтеза. В этом смысле все звезды имеют одинаковую природу.

Вокруг нашего Солнца образована система планет. Есть ли у других звезд Млечного Пути свои планетные системы? Многие астрономы, начиная еще с классических времен, ожидали, что рано или поздно будут обнаружены планеты, вращающиеся вокруг других звезд. По-видимому, в устройстве Солнечной системы, сформированной из пыли и газов, оставшихся после образования звезды, нет ничего необычного. Более того, и у нашего Солнца нет каких-то исключительных особенностей — в нашей Галактике есть множество звезд, подобных ему по массе и по составу.

Однако ожидания — это еще не открытие. Только в 1995 г. астрономы подтвердили существование первой планеты на орбите «обычной» звезды (звезды главной последовательности). Метод, которым они воспользовались, был прост и элегантен: хотя свет от планеты теряется в блеске родительской звезды, значительно превосходящей ее по яркости, вращаясь вокруг звезды, планета заставляет ее немного смещаться под воздействием гравитации. Планета и звезда подобны паре танцоров — большому и маленькому: планета кружится в вальсе вокруг своего звездного партнера, а тот в свою очередь чуть пододвигается ей навстречу, вращаясь по гораздо меньшей орбите. Метод, который позволяет обнаружить такие планеты, известен как спектрометрическое измерение лучевой скорости звезд, или метод Доплера: с Земли можно заметить, как звезда то приближается, то отдаляется под воздействием невидимой планеты.

Планета, обнаруженная в 1995 г., носит название 51 Пегаса b. Ее родительская звезда — 51 Пегаса а — солнцеподобная звезда в созвездии Пегаса — находится на расстоянии 50,1 светового года от Солнца. Планета 51 Пегаса b обращается вокруг материнской звезды за 4,2 суток и придает ей доплеровскую скорость 56 м/с. Для сравнения: в Солнечной системе Юпитер придает Солнцу доплеровскую скорость 12 м/с и обращается вокруг него за 12 лет.

Образовался идеальный логический круг: ученые применили к планетной системе 51 Пегаса те же самые математические законы, которые Иоганн Кеплер — современник Галилея — использовал для описания движения планет Солнечной системы, однако результат получился совершенно неожиданный, чтобы не сказать больше. Оказалось, что 51 Пегаса b принадлежит к новому классу планет, которые мы теперь называем «горячими юпитерами». Масса 51 Пегаса b равна примерно половине массы Юпитера (или чуть больше половины), но ее короткий орбитальный период подразумевает, что расстояние от нее до материнского светила в 20 раз меньше расстояния от Земли до Солнца. Поскольку 51 Пегаса — солнцеподобная звезда, поверхность планеты (или, скорее, верхние слои ее атмосферы) разогреты до температуры 1200 К‹‹6››.

Для нашей истории важно, что в 1995 г. мы впервые обнаружили внесолнечную планету. Хотя мы можем наблюдать лишь косвенные признаки ее существования, это дает нам основания утверждать, что у 51 Пегаса имеется планета и она совершенно не похожа ни на одну из тех планет, с которыми мы сталкивались до сих пор. Метод Доплера позволяет нам рассчитать массу невидимой планеты и расстояние, на котором она вращается вокруг своей материнской звезды. Кроме того, наши наблюдения материнской звезды дают нам возможность определить, насколько сильно разогрета поверхность планеты. Для сравнения можно сказать, что сегодня мы знаем о любой внесолнечной планете почти столько же, сколько знали о внешних планетах нашей Солнечной системы до начала освоения космоса. Каждая из них — это целый мир. Мы можем измерить его физические характеристики. Мы можем оценить, в какой степени он может быть пригоден для жизни. Мы уже очень близки к тому моменту, когда сможем начать поиски признаков жизни в этих внесолнечных мирах.

К 2014 г. было обнаружено свыше 1800 планет[3], вращающихся вокруг своих звезд: одни из них одиночные, другие входят в планетные системы. Это число отражает те системы, существование которых можно считать подтвержденным, как правило, с помощью метода спектрометрического измерения лучевой скорости звезд. Несколько тысяч других, в частности те, которые были обнаружены космическим телескопом «Кеплер», с которым мы познакомимся в главе 8, пока считаются «кандидатами» в планеты, ожидающими подтверждения. На этом месте внимательный читатель может заметить, что данный раздел озаглавлен «Миллиарды и миллиарды планет». Как перейти от 1800 планет к миллиардам? Не все звезды Галактики были обследованы на наличие планет, но из тех, что были исследованы, планетными системами обладает значительный процент. В астрономии принято обозначать долю звезд определенного типа, имеющих свои планетные системы, как f_p. Как выяснилось, для обычных звезд или, как их еще называют, звезд главной последовательности, которые составляют большинство звезд Млечного Пути, f_p находится в пределах от 0,1 до 1 (1 означает, что каждая такая звезда имеет планеты).

Подождите: но ведь это потрясающе! Астрономы обычно имеют дело с величинами, которые мы привыкли называть… астрономическими! Эти величины так велики, что в нашем языке нет для них даже обозначений (масса Солнца, например, составляет 2?10³⁰ кг, иначе говоря, это двойка с 30 нулями; средняя плотность вещества и энергии во Вселенной — 9?10^–27 кг/м³, т. е. девятке предшествуют 26 нулей). В астрономии число между 0,1 и 1 можно считать равным 1. Так что с точностью до порядка мы можем считать, что планетной системой обладает каждая звезда‹‹7››.

Если вы не возражали против моего предыдущего утверждения о том, что в нашей Солнечной системе нет ничего необычного, то это открытие тоже не должно вызвать у вас чувство протеста. Поражает лишь то, что, глядя в звездное небо, на все эти видимые невооруженным глазом 3000 звезд Млечного Пути, вы вполне можете ожидать, что у каждой из них есть своя планета. А у многих, возможно, есть и своя планетная система. Ни одна из них не будет точной копией нашей Солнечной системы, но если принимать во внимание планетные массы и физический состав, которые мы рассчитываем найти, то можно вполне рассчитывать на очень близкое сходство. Так что когда вы представляете себе 400 млрд звезд, которые, согласно нашим представлениям, составляют галактику Млечный Путь, вы вправе надеяться, что вас там ждут 400 млрд (или около того) планет.