Биография в десять миллиардов лет 9 страница
Поэтому стало большой неожиданностью, когда в начале 1990 года обнаружилось, что радиосигналы, достигавшие обсерватории Асерибо, содержат не только свет нейтронной звезды, вращающейся со скоростью 167 оборотов в секунду, но и кое-что еще: загадочные отклонения в регулярности вспышек излучения, истолковать которые с ходу не удалось. Словно бы часы самой Природы вдруг забарахлили!
В следующие два года обсерватория то и дело возвращалась к сигналам с этого объекта. Корпевшие над данными астрономы заметили, что непонятные отклонения сигнала имеют циклический характер с периодом в несколько месяцев. Единственное разумное объяснение состояло в том, что есть какая-то сила, которая тянет пульсар и вынуждает его вращаться по маленькой орбите вокруг точки равновесия системы, не совпадающей с центром самого пульсара. Такое смещение точки равновесия могло быть вызвано воздействием не одного, а нескольких расположенных поблизости объектов, причем не очень больших – планетного размера.
В январе 1992 года астрономы Александр Вольщан и Дейл Фрейл[92] опубликовали статью о своем открытии в журнале «Nature». Им удалось совершить открытие, к которому столь многие так стремились. В данных с далекого пульсара они обнаружили убедительные доказательства существования первой экзопланетной системы – первого известного нам другого набора планет в нашей Галактике.
|
|
|
Рис. 8. Планеты, вращающиеся вокруг пульсара PSR B1257+12. Художественная реконструкция Р. Хёрта (НАСА)
На сегодня данных наблюдений этой поразительной системы накопилось уже гораздо больше, и мы знаем, что вокруг пульсара вращается по меньшей мере три тела размером с планету[93]. Два из них обладают массой примерно в четыре раза больше массы Земли и вращаются по орбитам на расстоянии около 55 миллионов и 69 миллионов километров от пульсара – даже ближе, чем среднее расстояние от Солнца до Меркурия. Третья планета совсем маленькая, всего в 2 % от массы Земли, что сравнимо с массой Луны. Эта крошечная планетка-крупинка вращается еще ближе к пульсару, чем две ее крупные соседки.
На основании этих фактов и цифр еще нельзя создать наглядную картину, поэтому давайте взглянем на нее с другой точки зрения. Эта система настолько непривычна для нас, настолько разительно отличается от нашей, что тут же опровергает любые сколько-нибудь разумные экстраполяции всего того, что мы, по нашему мнению, знали.
Нормальной звезды у этих планет нет. Вместо нее у них всего лишь ядовитые останки, чудовищная мать, которую они обнимают тесным орбитальным хороводом. Вертящийся пульсар испускает в пространство жесткое разрушительное излучение и нагревает поверхности планет своим стальным светом. Когда звезда-предшественница пульсара погибла миллиард лет назад, произошел титанический взрыв сверхновой, и если вокруг этой звезды и вращались какие-то планеты, взрыв их уничтожил. Странные планеты, которые мы наблюдаем, – это жуткая тень былого, реликты эпохи разрушения, возродившиеся из пыли, которая слиплась и сконденсировалась под воздействием гравитации, и так получились новые миры, жестокая пародия на планеты, которым уже никогда не придется нежиться в лучах нормального солнца.
|
|
|
* * *
К такому никто не был готов. Первые планеты вне нашей собственной системы оказались картинкой из астрофизической преисподней. Однако вот оно, бесспорное доказательство, что за пределами Солнечной системы тоже есть объекты вроде планет. И каким бы диковинным ни было это место, оно все же подготовило почву для следующего сюрприза.
Три года спустя, в 1995 году, астрономы объявили[94] об открытии первой планеты, которая, по надежным свидетельствам, вращается вокруг нормальной звезды вроде Солнца в системе, удаленной от нас всего на 50 световых лет. Это был очередной переломный момент в науке: мы наконец-то заручились подтверждением, что и у других звезд вроде нашей могут быть планеты, в чем мы, пожалуй, и не сомневались, просто у нас не было доказательств.
|
|
|
Новая планета, как и планеты вокруг пульсара, была замечена благодаря ее гравитационному воздействию на звезду-родительницу: она заставляла эту звезду двигаться по маленькой орбите вокруг точки равновесия между этими телами. Именно такое поведение звезд и планет описал Исаак Ньютон почти за четыреста лет до этого – оно прямо следовало из его теории гравитации. Колебания звезд видны по изменениям частоты света, доходящего из системы. Однако здесь есть одна тонкость, и весьма серьезная.
Эта планета совершает годовой оборот – полный круг – чуть больше чем за четверо земных суток. Более того, от нее до звезды-родительницы всего восемь миллионов километров, гораздо ближе, чем даже от Меркурия до Солнца в самой ближней точке его эллиптической орбиты – это расстояние составляет благополучные 45 миллионов километров. Но и этого мало: эта планета – отнюдь не каменная малютка, а гигант с массой больше чем в 150 масс Земли.
Можно безо всякого преувеличения сказать, что ни один физик или естествоиспытатель на протяжении двух тысячелетий письменной истории нашего вопроса не уделял сколько-нибудь существенного времени на обдумывание вероятности существования именно такой системы. И в самом деле, теория образования планет дошла до точки, где у нас появились все основания полагать, что такая большая планета попросту не может существовать так близко к звезде-родительнице. Такая великанша, думали мы, способна сформироваться только гораздо дальше, у внешнего края системы, где сочетание орбитальной динамики и более низких температур позволит ей нарастить массу и объем.
|
|
|
Лишь несколько ученых задумывались о том, что планетные объекты могут оказаться и в неожиданных местах, и в том числе астрофизики Питер Голдрайх и Скотт Тремейн[95], которые еще за 15 лет до этого изучали, как планеты могут «мигрировать» вовнутрь протопланетного диска. Так что хотя это открытие и было триумфом астрономов, которые прилежно проделали необычайно сложные вычисления, оно их крайне озадачило.
Со времени этих первых открытий сюрпризы так и сыпались. Мы обнаруживаем, что разнообразие экзопланет и их явное нежелание соответствовать нашим представлениям о том, какими должны быть планетные системы, просто поражает. Мы бы, пожалуй, смирились с мыслью, что иные миры несколько отличаются от нашего, не совсем такие, но нам и в голову не приходило, что они настолько разные. Они покрывают весь диапазон вариантов. И проливают совершенно иной свет на главный вопрос нашего исследования – наше место в мироздании. Это головокружительное разнообразие служит для нас, в сущности, введением в сравнительную планетологию – в классификацию и категоризацию видов планет и в изучение того, почему все они могут существовать.
* * *
Итак, добро пожаловать в лигу выдающихся планет. Нет, это вовсе не закрытый клуб, ведь его члены повсюду, куда ни бросишь взгляд, однако все они для нас выдающиеся и ни на кого не похожие, поскольку наше представление о Вселенной до обидного провинциально.
То, о чем я собираюсь вам сейчас рассказать, основано по большей части на информированной экстраполяции, однако мы уже начали проверять и подтверждать многие подобные спекулятивные заявления благодаря новым данным с телескопов и хитроумным приемам, позволяющим выманить сигналы и выявить размеры, температуру и даже химический состав планет. Так давайте же зайдем в клуб и осмотрим его гостиную с ее великолепной, изысканной обстановкой и блистательными, царственными обитателями. Вот там, в углу у камина, собрались планеты-гиганты, которые, пренебрегая опасностью, вращаются вблизи от своих звезд-родительниц. Это представительницы самых первых экзопланет, обнаруженных вокруг нормальных звезд. К настоящему времени они уже получили неофициальное прозвание – «горячие юпитеры» (хотя знакомую нам гигантскую планету они напоминают лишь отдаленно).
Эти планеты занимают неположенное место, однако это не мешает им быть пухлыми и иногда даже розовощекими. Вероятно, некоторые из них мигрировали туда, где мы их находим, протолкавшись через огромный диск вещества, некогда окружавший их планетную систему, и пробились в первый ряд. А может быть, их притянуло на это место, поскольку они очутились близковато к гравитационным полям других планет и совершили ошибочное па, которое и навлекло на них жгучий гнев их светил.
Некоторые из этих планет-гигантов вращаются так близко к звезде, что совершают полный круг всего за 24 земных часа[96], и дневная их сторона раскаляется до страшных температур – более 500 градусов. Приливные силы тянут некоторых из них так настойчиво, что там больше нет нормальной смены дня и ночи. Планеты застряли в одном положении, и дневная сторона у них навсегда осталась дневной, а на ночной царит вечная тьма, и планета остывает, глядя в холодный космос. Такое необычное положение дел привело к возникновению на таких гигантах весьма сурового климата[97]. Жара на дневной стороне загоняет атмосферные течения на ночную и заставляет их огибать планету на сверхзвуковых скоростях, и поднимается реактивный ветер, сметающий все на своем пути, словно взрывная волна. Поскольку под газом нет ни гор, ни континентов, он гоняется сам за собой, не зная отдыха.
Высокие температуры на этих планетах приводят к всевозможным химическим и атмосферным явлениям[98], которые мы из Солнечной системы не можем даже распознать. На таких планетах есть угарный газ, оксид ванадия и оксид титана в газообразном состоянии, и они оказывают решающее воздействие на расположение слоев и структуру планет. Облака состоят не из воды или аммиака, а из железа и соединений кремния – раскаленные скопления тяжелых атомов. Тут уж не до пушистых зверюшек ясным летним деньком – скорее, страшные сны об Аиде.
А еще «горячие юпитеры» не гнушаются тем, чтобы подольститься к своим звездным родительницам. Гравитационная тяга вызывает приливы и волны в атмосфере самой звезды, а мощные магнитные поля непосредственно взаимодействуют с магнитным полем светила. Звезда не ограждена от своего окружения, напротив, это она подвергается влиянию планет, а не наоборот. Когда массивный горячий юпитер жужжит вокруг, словно толстое назойливое насекомое, солнечная атмосфера то и дело раздраженно вспыхивает.
Только не думайте, будто эти планеты – самодовольные великаны, сидящие в креслах у самого ревущего пламени: поймите, что некоторым из них суждено погибнуть. Они рискуют злоупотребить гостеприимством звезды. Гравитационные приливы постепенно искажают их орбиты и заставляют двигаться по спирали к центру системы – но занимает это десятки миллионов лет. А потом они либо нырнут под поверхность светила, либо разлетятся в кольцо пыли и обломков вокруг звезды, обреченное на недолгую жизнь.
Некоторые гигантские планеты навлекают на себя гнев судьбы по еще более противоестественным, с нашей точки зрения, причинам. Все планеты нашей Солнечной системы вращаются по орбите так же, как вращается вокруг своей оси Солнце – по часовой стрелке, если угодно, – однако примерно каждый пятый «горячий юпитер» поступает в точности наоборот. Эти отступники вращаются в направлении против вращения звезды-родительницы[99] – в обратную сторону. А в результате они оказываются в рискованном положении: их орбиты неизбежно искажаются, и в конце концов они летят по спирали навстречу страшной участи.
Очень трудно разобраться, почему планеты выбирают такое неблагоприятное направление вращения. Насколько нам известно, силы, воздействующие на звезды и их планеты, на ранних стадиях формирования небесных тел заставляют их вращаться и вокруг своей оси, и по орбите в одном направлении. Все остальное обрекает их на скорую динамическую катастрофу: если планеты пытаются двигаться против вращения протопланетного диска, им попросту трудно сформироваться. Откуда же берутся экзопланетные объекты, вращающиеся в противоположном направлении?
Сказать наверняка мы не можем – слишком мало мы знаем о многих членах лиги. Однако очень может быть, что эти планеты и вправду сформировались на гораздо больших расстояниях от звезд-родительниц и двигались «как положено», но затем игра гравитационных полей других планет вынудила их вращаться по очень вытянутым эллиптическим орбитам. В итоге такие орбиты могут встать перпендикулярно плоскости системы, а потом буквально перевернуться, и тогда планета будет двигаться в противоположном направлении – наподобие гимнастического обруча, который оказывается то одной, то другой стороной кверху. В конце концов приливная гравитационная тяга звезды «выправляет» эллиптическую орбиту, возвращает ей круглую форму и подтягивает планету поближе, где мы ее и видим.
Богатый жизненный опыт придает «горячим юпитерам» довольно интересные качества. Одни раздуваются до удивительных размеров, сверх всяких ожиданий, и в результате у них получается очень низкая плотность – иногда даже меньше, чем у воды. А есть и другие планеты-гиганты, которые из-за близости к источнику энергии и особенностей истории своего формирования претерпевают самые разные химические и структурные изменения.
Особенно это заметно по наружности – по верхним слоям их атмосфер. Среда там агрессивная, однако разобраться, какие химические компоненты в ней доминируют, практически невозможно, в отличие от прохладных, но едких и вонючих дуновений кристаллизованного аммиака и метана, которые мы находим на наших Юпитере и Сатурне. В предельных случаях температуры так высоки, что роль воды играют даже атомы железа – они формируют цикл, при котором пары создают облака, а потом проливаются тяжелыми металлическими каплями.
У некоторых «горячих юпитеров» атмосфера насыщена углеродом, а это подсказывает, что и недра у них, вероятно, нашпигованы углеродом в количествах, нам непривычных. Не исключено, что в ядрах таких планет-гигантов залегают алмазные слои – и даже есть некоторая вероятность, что существуют и другие планеты, более скромных размеров, в составе которых углерода больше, чем кремния: вполне допустимый, однако совсем не привычный для нас сценарий.
Вещества вроде газообразных оксидов титана и ванадия, существующие при таких условиях, также вносят свой вклад в облик внешних слоев атмосферы, которые иногда поглощают весь падающий на них свет. Такие планеты впитывают излучение сильнее, чем самый черный уголь. Планеты чернее ночи[100]. Только свет, который их заливает, такой яркий и сильный, что человеческий глаз все же уловит отраженное сияние – словно неумелый хамелеон пытается замаскироваться под чернильную черноту космоса.
«Горячие юпитеры» составляют обособленный класс планет и ни с кем не желают водиться. Однако рядом с ними расположилась еще одна компания – отпетые сорвиголовы, будущие «горячие юпитеры». За неимением официального названия я буду именовать их «планеты-икары»[101]. В отличие от «горячих юпитеров» орбиты у таких планет довольно большие, на один круг уходит несколько месяцев. И не круглые – в сущности, это другая крайность – узкий эллипс, один конец которого находится в десятках миллионов километров от звезды-родительницы, а другой попадает в зону досягаемости звездной «топки».
Температура на некоторых таких планетах в течение их года меняется в сотни раз. В дальних точках, где планеты движутся медленнее всего, условия достаточно терпимые. Однако когда планета приближается к своему солнцу и облетает его в ближайшей точке, температура повышается на семьсот градусов за несколько часов.
Каждый раз, когда планета приближается к звезде-родительнице, гравитационные приливы чуть-чуть замедляют ее. Пройдут миллионы лет, и планета откажется от такой нелепой орбиты – скорее всего, в результате гравитационных столкновений с другими планетами, – и постепенно перейдет на конфигурацию, больше напоминающую круглую орбиту «горячего юпитера». И когда-нибудь планета-икар примкнет к «горячим юпитерам», займет свое просторное кресло у камина, однако рано или поздно ее все равно ждет гибель в звездном пламени.
Рискуют жизнью, подбираясь слишком близко к звездам, не только планеты-гиганты, но и маленькие планеты из камня и металла, выстроившиеся в пределах десятков миллионов километров от звезд-родительниц. Некоторые из них в несколько раз массивнее Земли и, скорее всего, плотнее, и поверхность у них раскаляется до температур, заметно превышающих точку плавления всех мыслимых скальных пород.
Внешние слои таких планет, лишенные защитной оболочки атмосферы, как у гигантов, превращаются в океан лавы, в вечную геенну огненную. Даже металлические составы вроде оксида алюминия испаряются с такой поверхности и снова конденсируются в пылинки, которые сдувает звездный ветер в числе прочего пара и дыма, словно чад от космической плавильной печи[102].
Возможно, эти миры когда-то напоминали наш Нептун, планету, покрытую толстым одеялом из первобытного газа и льдов. Не исключено, что на нынешних орбитах они очутились в результате миграций, а здесь защитный покров развеялся и испарился. А может быть, они всегда представляли собой просто небесные тела из камня и металла, которым не повезло оказаться в нынешних суровых условиях.
* * *
Итак, на этом конце экзопланетной гостиной, поближе к камину, сидят самые разные планеты. Однако всего в нескольких шагах от них расположились объекты еще более пестрые и ошеломительно-незнакомые. Например, на соседних креслах сидит группа из девяти крупных планет[103], окруживших одну звезду.
Поначалу кажется, будто в них нет ничего особенно необычного: ведь и вокруг нашего Солнца вращается восемь крупных планет плюс многочисленные транснептуновые тела вроде Плутона. Так что числом девять нас не удивишь. Мы и не удивились бы, если бы не одно обстоятельство: все эти планеты вращаются вокруг своей звезды (так вышло, что это звезда примерно той же массы и того же возраста, что и Солнце) на расстояниях меньше радиуса орбиты Юпитера.
Все эти планеты, кроме двух, которые лишь немногим массивнее Земли, крупные и тяжелые – в 10, 20, даже в 60 раз массивнее нашего домика. И хотя все они плотно упакованы в ужасно тесную на первый взгляд систему, там остается место кое для чего еще. В подобных местах процессы формирования планет идут бесконтрольно – планеты выковываются одна за другой, умудряясь как-то избегать губительных последствий гравитационных взаимодействий между ними. Прямо-таки хочется подойти к таким системам и сказать: «Молодцы, молодцы!»
Теперь уже очевидно, что планетные системы и сами планеты необычайно разнообразны. Это разнообразие поразительно и само по себе, однако заставляет задавать серьезные вопросы и о том, как мы оцениваем собственную вселенскую заурядность, собственную обычность. Мы уже не просто не единственная планетная система на свете – все обстоит гораздо хуже: очень многие из этих новых планет и систем пренебрегают всеми нашими представлениями о нормальности. В некоторых системах у планет экзотические орбиты. Гравитационная динамика так организовала движение этих объектов, что периоды обращения, планетные годы, синхронизированы в виде отношений простых чисел. Например, внутренняя планета делает два оборота ровно за то время, за которое внешняя совершает один оборот. Как будто их движение – часть точно настроенного музыкального инструмента, который меняет высоту звука в соответствии с идеальной гармонией.
Этот феномен называется резонанс. Движения планет по орбитам в таких системах подчиняются этому ритму, поскольку планеты постоянно оказываются в одном и том же месте в пространстве через равные промежутки времени. А в результате гравитационные поля воздействуют друг на друга одинаково, ритмически – и поддерживают синхронизацию. Во время формирования и в ходе истории этих систем орбиты планет медленно менялись и оказались пойманы в это состояние, общее для всех планет и вызванное взаимным гравитационным притяжением, без надежды на побег.
Дата добавления: 2019-02-12; просмотров: 174; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!