Это непростая ночь для астрономии в обсерватории Лик близ Сан-Хосе, штат Калифорния. Огни Силиконовой долины мерцают ниже 4200-футовой вершины горы Гамильтон, размывая самые слабые звезды. Облака дрейфуют ближе с севера с угрозой дождя. На вершине горы десять телескопических куполов, и я иду по крутой дороге к самому большому. Есть жуткий звук, похожий на стонущий на ветру затвор. Это сам купол, скрипящий при вращении, чтобы его отверстие находилось в центре над медленно движущимся телескопом внутри.
Связанный контент
- Строительные блоки жизни могли прийти из космоса
- Что означает открытие сотен новых планет для астрономии и философии
- Вот, Геминиды
Крис Маккарти, астроном из Государственного университета Сан-Франциско (SFSU), приветствует меня у боковой двери. Неся небольшой свет, привязанный к его голове, он ведет меня по металлической лестнице через внутреннюю часть купола, в темной темноте для ночных наблюдений, и в теплую контрольную комнату. Там Говард Айзексон, старший из SFSU, и Кит Бейкер, техник-телескоп, сидят за экранами компьютеров среди толстых пучков кабелей и стоек устаревшей электроники. Маккарти и Исааксон общаются и пьют горячий чай, пока Бейкер использует свою компьютерную мышь, чтобы настроить телескоп. Перед рассветом астрономы соберут свет от десятков звезд. Они надеются, что некоторые из звезд несут в себе новые миры.
В эпоху марсоходов, исследующих Марс и космические телескопы, снимающие ослепительные снимки космоса над темной земной атмосферой, рутина в Лике - нацеливание 47-летнего телескопа на звезду за звездой в течение нескольких часов подряд - кажется довольно причудливый. Тем не менее, эти астрономы являются членами команды, которая является лучшей в охоте на планеты. Использование телескопов на Гавайях, в Чили и Австралии, а также в обсерватории Лик, для наблюдения около 2000 звезд - большинство из них тихие и среднего возраста, как наше Солнце, и достаточно близко к Земле, чтобы большие телескопы могли четко видеть их движения - команда нашла около двух третей из 200 или около того планет, обнаруженных за пределами нашей солнечной системы. (Недавний спор о том, как определить планету в нашей солнечной системе, не угрожает планетарному статусу этих отдаленных объектов.)
Некоторые из вновь обретенных внесолнечных планет или экзопланет, как их называют, представляют собой гигантские миры размером с Юпитер, которые окружают свои звезды на узких, жарких орбитах, гораздо ближе, чем орбита Меркурия вокруг Солнца. Другие приближаются к своим звездам, а затем уходят далеко по тропинкам в форме яйца, разбрасывая меньшие тела по ходу движения. Некоторые новорожденные планеты бросают свои планеты-близнецы в огненную гибель или в глубины космоса.
Нигде не видно - по крайней мере, пока - такой солнечной системы, как наша, с твердыми планетами возле Солнца и планетами-гигантами на последовательных процессиях дальше. Такая система является наиболее вероятным местом для такой скалистой планеты, как Земля, чтобы выжить на стабильной орбите в течение миллиардов лет. Возможно, это местничество, но астрономы, ищущие признаки жизни в других местах космоса - квест, который оживляет поиск экзопланет, - ищут планеты и солнечные системы, скорее похожие на нашу, с планетой, которая не слишком далеко и не слишком близка к звезде и, возможно, с водой на его поверхности. Калифорнийская команда говорит, что найти похожие на Землю планеты - это вопрос времени.
Изучение экзопланет все еще очень ново, в конце концов. Раньше, чем десять лет назад, астрономы полагали, что их невозможно увидеть на фоне яркого света их звезд. Таким образом, несколько астрономов пытались найти экзопланеты, ища звезды, которые, казалось, качались, притягиваясь гравитацией невидимых тел, вращающихся вокруг них. Но большинство экспертов сомневались, что подход сработает. «Люди думали, что поиск планет бесполезен», - говорит Маккарти. «Это был один шаг над поиском внеземного разума, и это было на один шаг выше похищения инопланетянами. Теперь это один из величайших научных достижений 20-го века».
Первая экзопланета, обнаруженная в 1995 году Мишелем Майором и Дидье Келозом из Женевского университета в Швейцарии, представляла собой гигантский объект, наполовину меньший Юпитера, вращающийся вокруг звезды, похожей на наше Солнце, на бешеной орбите каждые четыре дня. Звезда в созвездии Пегас находится на расстоянии около 50 световых лет. Более «горячие Юпитеры», или гигантские газообразные планеты, вращающиеся вокруг звезд, быстро всплыли, хотя бы потому, что эти большие тела создают наиболее выраженные колебания на своих родительских звездах.
Хотя астрономы не наблюдали эти планеты напрямую, они делают вывод, что они газообразны из-за их огромных размеров и того, что известно об образовании планет. Планета сливается из обломков в огромных дисках пыли и газа, окружающих звезды. Если он достигает определенного размера - в 10-15 раз больше Земли - он оказывает такое гравитационное притяжение и всасывает столько газа, что становится газовым гигантом.
По мере совершенствования методов измерения астрономы различали постепенно меньшие планеты - сначала размером с Сатурн, а затем до Нептуна и Урана. После нескольких лет обнаружения экзопланет ученые увидели многообещающую тенденцию: по мере того, как размеры, которые они могли обнаружить, уменьшались, их становилось все больше и больше. Процесс, который строит планеты, кажется, одобряет маленьких, а не титанов.
За последние полтора года калифорнийская команда и группа во главе с исследователями в Париже обнаружили самые маленькие экзопланеты, которые можно увидеть вокруг солнечных звезд: две планеты были всего в пять-восемь раз больше массы Земли. Астрономы говорят, что такие миры могут состоять в основном из металла и камня, возможно, с плотной атмосферой. Экзопланета, найденная астрономом Джеффом Марси из Калифорнийского университета в Беркли и его коллегами, близка к своей звезде и, вероятно, слишком горячая, чтобы жидкость могла существовать на ее поверхности. Другая планета вращается далеко от слабой звезды и может быть такой же холодной, как Плутон. Тем не менее, знание того, что не все экзопланеты являются гигантскими газовыми шарами, стало вехой в этой области. «Это первые правдоподобные каменистые миры», - говорит Марси. «Впервые мы начинаем обнаруживать нашу планетарную семью среди звезд».
Марси говорит, что одна из самых удивительных черт экзопланет в их офисе в кампусе Беркли - их необычные орбиты. На классической диаграмме нашей солнечной системы "вид сверху" планеты (за исключением чудаковатого Плутона, недавно превращенного в карликовую планету) прослеживают изящные концентрические круги вокруг Солнца. Марси протягивает руку за своим аккуратным столом и достает оррери, механическую модель нашей солнечной системы. Металлические шарики на концах веретенообразных рук вращаются вокруг солнца. «Мы все ожидали увидеть эти круговые орбиты фонографического паза», - говорит Марси. «Это то, что говорится в учебниках о планетных системах. Поэтому, когда мы впервые начали видеть эксцентричные орбиты в 1996 году, люди говорили, что они не могут быть планетами. Но они оказались предвестником грядущих событий».
Сразу после полуночи в Обсерватории Лик астрономы добились значительных успехов в ночной проверке из 40 звезд. Их цели обычно не главные звезды созвездий, но, несмотря на это, многие из них достаточно яркие, чтобы видеть невооруженным глазом. «Когда я с друзьями, я могу указать на пару звезд, которые, как мы знаем, имеют планеты», - говорит Говард Айзексон. У одной особенно яркой звезды в созвездии Андромеды их три.
Маккарти предлагает раскрыть секрет успеха команды в шпионаже экзопланет. Мы заходим в темный купол и проходим под телескоп с зеркалом шириной десять футов, которое собирает и фокусирует слабые лучи света от далеких звезд. Я видел массивный телескоп во время дневных туров, но ночью он выглядит гораздо более жизненно важным, его толстые металлические стойки под углом, как ноги высокого богомола, смотрящего на небеса. Маккарти ведет меня в тесную комнату под полом купола, где звездный свет, сконцентрированный зеркалом телескопа, направляется в цилиндр, меньший, чем банка с газировкой. Он завернут в синюю пену со стеклом на обоих концах. Внутри он выглядит пустым, но мне сказали, что он полон газообразного йода, нагретого до 122 градусов по Фаренгейту.
Эта йодная ячейка была разработана Марси и его бывшим учеником Полом Батлером, в настоящее время астрономом в Институте Карнеги в Вашингтоне, округ Колумбия. Когда свет от звезды проходит через горячий газ, молекулы йода поглощают определенные длины волн света. Оставшийся свет распространяется в радугу инструментом, который действует как призма. Поскольку у йода есть вычтенные кусочки света, темные линии разбросаны по всему спектру, как длинный штрих-код супермаркета. Каждая звезда имеет собственную подпись длин волн света, которые были поглощены атмосферой звезды. Эти длины волн слегка смещаются, когда звезда движется к нам или от нас. Астрономы сравнивают собственную подпись звезды с темными линиями со стабильными линиями йода от одной ночи к другой, от месяца к месяцу и от года к году. Поскольку есть так много тонких линий, можно обнаружить даже мелкие сдвиги. «Это все равно, что подносить звезду к листу миллиметровки», - говорит Маккарти. «Йодные линии никогда не двигаются. Поэтому, если звезда движется, мы используем йодные линии в качестве линейки для измерения этого движения».
Для чего-то такого большого, как звезда, единственные вещи, которые могут вызвать регулярный повторяющийся сдвиг, - это гравитационные рывки другой звезды, которые астрономы могли бы легко обнаружить благодаря собственной световой сигнатуре звезды-спутника и ее огромной массе, или скрытая планета, вращающаяся вокруг Земли. вокруг него. Йодная ячейка может отслеживать, как звезда движется со скоростью несколько футов в секунду - со скоростью человека - по огромной пустоте в триллионы миль пространства. Именно из-за этой чувствительности многие команды охотников за планетами используют йодную ячейку.
Я заглядываю внутрь и вижу какую-то смятую фольгу и нагревательные провода, протекающие сквозь голубую пену. Полоски клейкой ленты, кажется, скрепляют ее части. После того, как мы вернемся в диспетчерскую, Маккарти посмеивается и указывает на слоган на толстовке Кейта Бейкера: «Когда дела идут жестко, используйте жесткую клейкую ленту».
Астрономы находят более странные формы и странно расположенные орбиты, тем больше они понимают, что естественный процесс формирования планет вызывает хаос и беспорядок. «Стало ясно, что наша солнечная система с ее прекрасной динамикой и архитектурой была гораздо более стабильной, чем вокруг других звезд», - говорит теоретик-астрофизик Грег Лафлин из Калифорнийского университета в Санта-Круз, который сотрудничает с командой Марси и Батлера. Попытка выяснить, как новые планеты приобрели свои странные пути, была непростой задачей. Лафлин разрабатывает компьютерные модели орбит экзопланет, чтобы попытаться воссоздать истории планет и предсказать их судьбу. Он фокусируется на роли гравитации в сея хаос. Например, когда большая планета движется по эксцентричной орбите, ее гравитация может действовать как рогатка и бросать меньшие близлежащие миры. «В некоторых из этих систем, - говорит Лафлин, - если вы вставите планету, подобную Земле, в пригодную для жизни орбиту, ее можно буквально выбросить за несколько недель».
По словам Лафлина и его коллег, взаимодействие между планетами может быть обычным явлением в космосе. Известно, что почти 20 звезд имеют более одной планеты, вращающейся вокруг них, и некоторые из этих родственных экзопланет заперты в танце, называемом «резонанс». Например, одной планете, вращающейся вокруг звезды под названием Gliese 876, требуется 30 дней на орбиту, в то время как другой планете требуется почти ровно вдвое больше времени. Расчеты Лафлина показывают, что их взаимное гравитационное притяжение сохраняет устойчивое, подобное часам расположение между двумя планетами.
Резонансы являются сильными подсказками, что планеты мигрировали далеко от их мест рождения. Диск пыли и газа, который порождает зародышевые планеты, обладает собственной гравитацией. Диск тянет планеты, постепенно вытягивая их внутрь к звезде или, в некоторых случаях, выталкивая их наружу. Поскольку эта миграция продолжается в течение сотен тысяч лет, некоторые экзопланеты оказываются в ловушке резонанса со своими соседями. Когда большие планеты оказываются в тесном соседстве, они обвивают друг друга и создают некоторые эксцентричные орбиты, замеченные командой. По крайней мере, на данный момент это лучшее предположение.
Другие планеты не долго для этого мира. Компьютерные модели Лафлина предполагают, что некоторые из ближайших к их звездам планет будут погружаться в них, поскольку более отдаленные планеты проносятся по меньшим орбитам, возможно, в течение сотен тысяч лет. Это исследование отдаленных солнечных систем подняло захватывающий сценарий о нашей собственной солнечной системе. Некоторые астрономы предполагают, что Венера, Земля и Марс являются планетами «второго поколения», преемниками более ранних тел, которые родились ближе к Солнцу и мигрировали внутрь, пока они не были израсходованы.
Означает ли весь наблюдаемый хаос во вселенной страшные последствия для маленьких каменистых планет? Совсем нет, говорит Лафлин. Техника измерения возвратно-поступательных колебаний звезд, как бы они ни были чувствительны, должна быть примерно в десять раз более точной, чтобы выявить объекты размером с Землю. Но спутниковые телескопы, запланированные к запуску в ближайшие несколько лет, могут обнаружить «тени» инопланетных земель, когда маленькие планеты проходят перед своими звездами. Лафлин предсказывает, что спутники найдут такие тела скоплениями даже вокруг звезд, где еще не было замечено больших планет. «Весьма вероятно, что [подобные солнцу] звезды сопровождаются земными планетами», - говорит он. «Мое интуитивное чувство состоит в том, что наша солнечная система не является чем-то необычным».
Джефф Марси из Беркли соглашается, потому что он говорит, что каждая звезда рождается с достаточным количеством сырья, чтобы создать много планет. По его словам, множество твердых планет, таких как Земля, должны сформироваться в виде пыли, которая превращается в камешки, которые снова и снова сталкиваются, образуя астероиды, луны и планеты. «Возможно, Юпитеры редки, - говорит он, - но каменистые планеты почти наверняка встречаются часто. Я просто не понимаю, как создать Землю может быть трудно».
Небольшая экзопланета, недавно обнаруженная командой Марси и Батлера, поддерживает эту точку зрения. Они обнаружили это, наблюдая за двумя резонансными планетами в системе Gliese 876, которая находится на расстоянии 15 световых лет. Нечто оказывало тонкие дополнительные рывки на орбитах планет, и лучшее объяснение этому - третья планета, возможно, в 7, 5 раза массивнее Земли. Учитывая ее размер, планета, скорее всего, каменистая, как Земля, а не газовый гигант. Это открытие стало важным шагом к ответу на вопрос, который у всех на уме: можем ли мы найти потенциальные места обитания для жизни в другом месте?
Астрономы надеялись, что на этот вопрос ответит спутниковая миссия НАСА под названием «Наземный поиск планеты». Предполагалось, что он выйдет за пределы обнаружения экзопланет: он будет снимать изображения самых дразнящих экзопланет и анализировать их атмосферу. Но в начале этого года НАСА приостановило миссию, в основном из-за перерасхода средств с космической станции и космического челнока и ожидаемой стоимости плана по отправке людей на Марс.
Тем временем команда из Калифорнии продолжает искать новые экзопланеты. Через несколько месяцев Марси и ее коллега Дебра Фишер из SFSU начнут работать с новым телескопом в Лике, который называется Automated Planet Finder, в котором будет представлен самый чувствительный инструмент для анализа света, созданный для поиска экзопланет. Робот будет сканировать около 25 многообещающих звезд каждую ясную ночь, с возможностью обнаружения планет размером от трех до пяти раз больше Земли. «Это будет первый в мире телескоп, полностью посвященный охоте на планеты», - говорит Фишер. «Люди думали, что для поиска других планет, подобных Земле, понадобятся космические полеты стоимостью в миллиард долларов, но я думаю, что у нас есть шанс сделать это с земли».
Марси говорит, что поиск планет с Земли - это только начало. «В конечном итоге нам нужно пойти с роботизированным космическим кораблем и небольшой цифровой камерой и отправить этого маленького щенка в Тау Кита или Эпсилон Эридани», - говорит Марси, называя две соседние звезды с особым обещанием для размещения планет, подобных Земле. Они находятся на расстоянии 12 и 10, 5 световых лет соответственно. «Конечно, это займет 100 лет [для разработки технологии], но это замечательная цель для нашего вида, и это в наших силах. Вполне технологически возможно получить первые снимки поверхности планеты вокруг другой звезды. Мы можем запустить глобальную миссию, эмиссара с Земли. Усилие, которое мы сейчас делаем, это просто разведка для этой миссии, но это великолепная разведка, чтобы обнаружить первые оазисы в космической пустыне ».
Роберт Ирион руководит программой научной коммуникации в Калифорнийском университете в Санта-Круз. Фотограф Питер Мензель в соавторстве « Голодная планета: что ест мир» .
