Межзвёздные странники

alex-anpilogov.livejournal.com 07.11.2015 14:36

На верхней фотографии — истинный размер Галактики Андромеда (туманность M31, галактика NGC 224) на нашем ночном небе. Он составляет около 3,5° дуги, что как минимум в семь раз превосходит угловой размер Луны и Солнца на нашем небосводе, составляющим всего лишь 30' или 0,5° дуги.

Однако, увидеть Туманность Андромеда столь чётко, как это изображено на заглавной фотографии, практически нереально: большая часть этой галактики будет видна только в случае многоминутной экспозиции регистрирующей матрицы, так как светимость большинства звёзд этого удалённого объекта ничтожна.
В случае же наблюдения М31 невооружённым взглядом, через хороший оптический телескоп, можно увидеть лишь центральную, самую яркую часть М31.

С похожей ситуацией сталкиваются сегодня и астрономы-исследователи, которые пытаются наблюдать и идентифицировать экзопланеты. Большинство экзопланет на сегодняшний день найдено отнюдь не там, где «потеряли пятак», а в том месте, где «светит фонарь».
Ну а поскольку реально светят в наши приборы — телескопы, интерферометры именно звёзды, то и ищем мы планеты скорее возле звёзд нежели где-либо ещё в бескрайнем космосе.
Причём оба основных метода поиска экзопланет — транзитный (на основании прохода экзопланеты по диску звезды) и метод лучевых скоростей (на основании колебания звезды вокруг общего с планетой центра масс и доплеровского сдвига излучаемого ею света) основаны именно на анализе света звезды. Светом же планеты в этом случае практически можно пренебречь.
Завязан на свет звёзд и метод прямого наблюдения экзопланет — только в этом случае мы регистрируем не затемнение силуэтом планеты излучаемого света материнской звезды, а отражённый звёздный свет, который посылает нам планета своей поверхностью.

Три экзопланеты, обнаруженных возле звезды HR 8799 (закрыта центральной маской) методом прямого наблюдения. Каждая из планет больше Юпитера где-то в 10 раз — это типичные «сверх-Юпитеры».

Интересно, что с совершенствованием оптических инструментов, которыми располагает человечество, растёт и число планет, которые мы именно «видим» (прямое наблюдение), а не косвенно «регистрируем» (метод лучевых скоростей и транзитный метод).
Всё дело в том, что косвенные методы регистрации экзопланет, несмотря на всю их эффективность в деле обнаружения планет возле далёких звёзд, всё-таки не лишены своих недостатков.
Во-первых, сама по себе регистрация периодических уменьшений яркости или колебаний лучевой скорости звезды, в принципе, оставляет возможность того, что это лишь поведение самого центрального светила а не влияние на него экзопланеты и, во-вторых, оба основных косвенных метода предполагают, что плоскость эклиптики далёкой звёздной системы находится близко к плоскости луча наблюдения её с Земли — только в этом случае легко засечь доплеровский сдвиг лучевой скорости звезды или есть высокая вероятность увидеть проход планеты по диску звезды.

Кроме того, и метод лучевых скоростей, и метод транзитов хорошо подходят только для короткопериодических планет, а вот в случае планет, обращающихся на удалённых от звезды орбитах, лучше использовать метод прямого наблюдения — во-первых, в этих областях, далёких от звезды, обычно находятся яркие и заметные газовые планеты-гиганты, а во-вторых, значительный размер орбиты таких экзопланет позволяет «вживую» увидеть ту самую дугу в несколько долей угловой секунды, которые разделяют звезду и планету на нашем ночном небе.
Однако, понятное дело, для такого рода наблюдений необходимы просто-таки гигантские оптические приборы, которые пока практически невозможно поднять в космос. В силу этого их пока что строят в высокогорных района Земли.
Вот, как пример, размер сооружаемого сверхбольшого телескопа Е-ELT в Чили (зеркало диаметром в 40 метров) в сравнении с размерами египетских пирамид и уже сооружённых четырёх сверхбольших телескопов VLT (8-метровые зеркала) в том же Чили:

E-ELT в сравнении с четырьмя телескопами VLT и египетскими пирамидами.

Звездная величина планеты типа Юпитера, удаленного на 1 а.е. от звезды типа Солнца, что соответствует расстоянию от Солнца до Земли, при наблюдении нами её с расстояния в 10 парсек, будет иметь звёздную величину около 24^m. Если учесть, что в 8-ми метровый телескоп типа VLТ сегодня видно объекты до 27^m, а 10-метровые телескопы Обсерватории Кека на Гавайях видят звёзды до 29^m, то от строящегося гигантского 40-метрового E-ELT следует ожидать непосредственного наблюдения экзопланет вплоть до 30-31^m, что также очень существенно увеличит их количество, увеличит максимальное расстояние обнаружения и снизит планку обнаружения методом прямого наблюдения вплоть до экзопланет размером с «суперземлю».

Кроме того, использование таких наземных телескопов, которые легко могут быть перенаправлены в любую часть доступного им звёздного неба, снимают ограничения, которые, например, имеет орбитальный телескоп «Кеплер», неподвижно зафиксированный на весьма узком квадрате звёздного неба, где он и ведёт свои наблюдения экзопланет.
Ну и, понятным образом, исходя из специфики метода прямого наблюдения, с пуском этих «сверхтелескопов» фиксация экзопланет выходит из ситуации «ищем там, где светит фонарь» (где эклиптика звёздной системы расположена по лучу наблюдения), а приходит к возможности регистрировать достаточно яркие экзопланеты при любом положении плоскости их обращения вокруг центральной звезды относительно луча на Солнечную систему.

В целом же усилия человечества по созданию сверхбольших телескопов^[1] можно увидеть на вот этой наглядной инфографике:

Пунктирные круги, объединяющие зеркала телескопов, означают интерферометры.

Хорошо видно, насколько зорче стало человечество начиная с 1975 года, когда самым большим телескопом был советский 6-метровый БТА-6 — и насколько более острым глазом будет обладать Земля к середине 2020-х годов, когда в эксплуатацию войдут 30 и 40-метровые сверхбольшие телескопы.
Даже вроде бы скромный рост звёздной величины регистрируемых светящихся объектов с 27^m на VLT (2002 год) до 30-31^m на Е-ELT (2024 год) даёт, по факту, практически стократное увеличение оптических возможностей земных телескопов, так как разница в 5^m абсолютной звёздной величины соответствует уменьшению светимости объекта в 100 раз.

Кроме того, дополнительные возможности даёт и вариант использования волновых свойств света, который используется при построении интерферометров. Это, по сути дела, «виртуальные телескопы», которые позволяют добиваться гораздо более внушительной угловой разрешающей способности.

Так, в 1999 году на обсерваторию Кека была установлена одна из первых систем адаптивной оптики, позволяющая устранять атмосферные искажения. Использование управляемой лазером адаптивной оптики на длине волны 2 микрона делает возможным получение изображений с разрешением 0,04 дуговых секунды. Это был практический предел для единичного 10-метрового зеркала.
Однако, уже в 2001 году на Обсерватории Кека был установлен интерферометр, связывающий оба телескопа вместе. Так как телескопы «Кек I» и «Кек II» находятся на расстоянии около 85 метров друг от друга, это позволило добиться разрешения, эквивалентного телескопу с 85-метровым зеркалом, то есть около 0,005 угловых секунды — или в 8 раз лучше, чем для каждого из телескопов по отдельности.

Интерферометры будущего, составленные из мощных наземных телескопов, позволят уже производить невозможное в недавнем прошлом, например, наблюдать видимые диски далёких звёзд.
У ближайшей к нам Альфы Центавра угловой размер – 0,006". Диск Альфы Центавра (обеих главных компонент, размером примерно в Солнце), будет виден почти на пределе разрешения у E-ELT и будущих интерферометров. Кстати, по крайней мере одна подтверждённая планета у Альфы Центавра тоже есть, и ее можно будет наблюдать непосредственно, прямым способом.

Нет, это не Звезда Смерти. Так будет выглядеть E-ELT во время работы с с системой адаптивной оптики, управляемой лазерами.

И, в общем-то, такой прогресс в разрешающей способности телескопов и регистрации столь тусклых объектов, как экзопланеты, уже приносит свои плоды — даже на существующих 8-10 метровых телескопах и собранных на их основе интерферометрах.

Так, уже в ноябре 2012 года с помощью существующих сверхбольших земных телескопов была обнаружена совершенно уникальная планета — так называемый «космический бомж» или планета-сирота.
Речь идёт об объекте CFBDSIR-2149-0403, который представляет собой новый, но, судя по всему, совершенно обыденный для нашей Галактики класс объектов — одиночную планету, не связанную значимым гравитационным взаимодействием ни с одной из ближайших звёзд и путешествующей по Галактике в гордом (или печальном) одиночестве. Расстояние до «сироты» составило около 40 парсек или около 100 световых лет. Определить его точнее достаточно трудно: мы пока что очень мало представляем себе мир так называемых «сверх-Юпитеров» и «коричневых карликов», к которым и относится CFBDSIR-2149-0403

Эпизод открытия CFBDSIR-2149-0403 наглядно показал, что в случае экзопланет, даже открыв практически 2000 экзопланет в более, чем 1000 звёздных системах, мы по-прежнему ищем их не там, где «потеряла пятак» экзопланет наша Вселенная, а в том месте, где светит наш личный «фонарь», то бишь — эффективно работают наши собственные регистрирующие системы.

CFBDSIR-2149-0403 в представлении художника. В инфракрасных лучах.

CFBDSIR-2149-0403 оказалась отнюдь не уникальна — как по классу, так и исходя из последующих открытий планет-сирот.
Собственная масса «сироты» составляет всего 4-7 масс нашего Юпитера, а температура поверхности — около 400 °С, в силу чего одиночка светит в основном в инфракрасном диапазоне. Планета достаточно молода: по всем расчётам возраст CFBDSIR-2149-0403 приблизительно составляет от 50 до 120 миллионов лет — именно такие сроки диктует собственная температура беглянки, которая подогревается исключительно за счёт остатков собственных «ядерных головешек» — дейтерия и трития, лития, бериллия и бора, которыми планету-сироту снабдило изначальное протопланетное облако.

Уже в ноябре 2013 года воспоследовало следующее открытие планеты-сироты. Астрономы Эдинбургского университета, используя инфракрасный телескоп Южной европейской обсерватории в Чили, получили изображения планеты, расположенной в 75 световых годах от Земли. Диаметр этого необычного объекта, которому присвоили условное обозначение PSO J318.5-22, примерно равен Юпитеру, но весит он в 6,5 раз больше, как это и положено сверх-Юпитерам.

Попалась! Изображение PSO J318.5-22 в инфракрасном диапазоне.

Возраст PSO J318.5-22 оказался ещё меньше возраста CFBDSIR-2149-0403 и составил всего лишь 12 миллионов лет — практически мгновение в истории нашей Солнечной системы. Определили этот возраст, исходя из температуры ещё не остывшей планеты, так как она оказалась даже выше, чем температура весьма горячего CFBDSIR-2149-0403 и составила около 900 °С.
Дело в том, что такие «сверх-Юпитеры» очень быстро сжигают остаток своих лёгких элементов, для которых не нужны температуры в сотни миллионов градусов термоядерной реакции на протии, как в настоящих звёздах. Уже упомянутые дейтерий, тритий, литий, беррилий и бор хоть и горят в гораздо более щадящих условиях (что и позволяет нам надеяться на термоядерный синтез на Земле), но составляют лишь мизерную часть от массы протопланетного облака, так как большую часть своего водорода любая звезда пережигает в гелий, а потом — в углерод и кислород.
А вот на лёгкие элементы и тяжёлые изотопы водорода остаётся совсем немного, чего и хватает всего лишь на 100-200 миллионов поддержания тусклого свечения такого странствующего «сверх-Юпитера».

На сегодняшний день мы знаем^[2] уже 8 планет-сирот — три подтверждённых (CFBDSIR-2149-0403, PSO J318.5-22 и ещё более далёкий и горячий OTS 44^[3] ), которые можно отнести к классу «сверх-Юпитеров» и чуть больших и массивных «коричневых карликов», и 5 определённых с большой долей вероятности.

Различие в размерах между Юпитером, коричневым карликом, красным карликом и Солнцем. Строго говоря — границы тут весьма размыты.

Учитывая короткий срок активной, «видимой» жизни таких бабочек-однодневок в нашей Галактике и наши несовершенные средства их обнаружения, открыть уже под десяток планет-сирот на 2000 «семейных» экзопланет — это безумно много.
Речь идёт о том, что мы обнаружили на своём заднем дворе интересных «белых тараканов» (неаппетитные подробности — по ссылке^[4] ), то бишь, обыденное в эволюции планетарных систем, но весьма кратковременное событие.

То есть, с одной стороны, планеты-сироты уже обнаружены не в одиночном экземпляре, но, с другой стороны, их цикл жизни подразумевает, что, за счёт быстрого остывания «потухших» сверх-Юпитеров, их должно быть на порядки больше (достаточно разделить 13 млрд. лет возраста Галактики на 100-200 миллионов лет периода остаточного свечения сверх-Юпитера).
В общем, тут как с белыми тараканами на вашей кухне: если вы увидели двух бледных тварей на своей столешнице, то ещё сотня скинула панцири гораздо раньше и прячется где-то по тёмным щелям. В силу чего на повестку дня встаёт вопрос закупки дихлофоса.

Откуда же взялись все эти «космические бомжи»?
Судя по последним моделям эволюции практически любой звёздной системы — её начальный период протекает отнюдь не столь идиллично, как мы думали раннее (типа планетки спокойно сконденсировались да и начали свой размеренный бег вокруг светила по заранее распределённым орбитам)
Скорее — в начале времён любую планетную систему сотрясают столкновения, изменения орбит, а то и «выстрелы из гравитационной пращи» планетами-неудачниками, прочь из материнского гнезда протопланетного облака.
Называется такой сценарий «модель Ниццы» и о его этапах можно посмотреть здесь.

Один из вариантов «модели Ниццы» допускает, что образование планеты-сироты произошло и в нашей Солнечной системе. Когда-то в начальный период эволюции, примерно 4-4,5 миллиарда лет тому назад, в ней находилась еще одна планета-гигант, которая была вытолкнута из неё и отправлена куда-то путешествовать.

Компьютерное моделирование, которое учитывает положения «модели Ниццы», показывает одним из сценариев, что наблюдаемых четырех планет-гигантов — Юпитера, Сатурна, Нептуна и Урана, оказывается мало для того, чтобы наша система образовалась в том виде, который она сейчас имеет. Вероятность такого события составляет всего лишь 2,5 %. А вот присутствие пяти планет-гигантов резко поднимает^[6] вероятность текущей Солнечной системы до двузначных процентных цифр.

Дэвид Несворни, автор этой гипотезы, провел около 6 тысяч «экспериментов» по симуляции образования и развития Солнечной системы. И получил схожие результаты, которые указывают на пятую планету, как один из наиболее вероятных вариантов.

Согласно выводам ученого, от своего «брата-близнеца» избавился Юпитер, который вытолкнул его за пределы Солнечной системы, а сам перешел на более дальнюю орбиту, попутно раздвинув и орбиты Сатурна, Урана и Нептуна.

Где сейчас находится бывший член Солнечной системы, можно только гадать. За 4 миллиарда лет мог улететь достаточно далеко. И остыть, став незаметным даже для инфракрасных телескопов Земли.
В целом же, основываясь на наблюдениях в инфракрасном диапазоне и оценках, основанных на применении «модели Ниццы» к образованию звёздных систем, можно заключить, что число планет-сирот в межзвездном пространстве может втрое превосходить количество звезд в Галактике, достигая ошеломляющей величины в 600 миллиардов свободно движущихся вне притяжения звёзд планет.
Вдобавок к ещё минимум 1-2 триллионам планет, «сидящих дома», не считая уже квадрилионна-другого кометных адер и астероидов...

youtu.be/2k2vkLEE4ko

Насколько много мы уже знаем, например, об астероидах....

youtu.be/1AAU_btBN7s

...и насколько много пустого места даже в нашей собственной Солнечной системе
(путешествие от Солнца до Юпитера со скоростью света).

Что, как вы понимаете, внезапно заполняет зияющую пустоту между нами и весьма далёкими от нас звёздами, хотя от этого, конечно же, космос не перестаёт быть «громадным пустым местом».

Ссылки