Давным-давно, еще в XVI веке, Джордано Бруно объявил во всеуслышание, что звезды — это далекие солнца с собственными планетами, возможно, даже населенными. Он стал бельмом на глазу католической церкви и в конце концов был сожжен как еретик. В конце своих «Начал» Ньютон писал: «Если неподвижные звезды являются центрами похожих [на Солнечную] систем, они все будут построены по схожему проекту…»
Другие ученые были с ним не согласны, утверждая, что Солнце — единственная звезда во Вселенной, у которой имеются планеты. Но разумные люди всегда ставили на то, что экзопланет (так они называются) во Вселенной без счета. Лучшая на данный момент теория образования планет — это коллапс обширного газового облака, из которого планеты образуются одновременно с центральным светилом, а таких облаков множество. Существует по крайней мере 50 квинтиллионов крупных тел — звезд — и много большее число мелких — пылинок. Было бы странно, если бы существовали какие-то запреты на тела промежуточных размеров, и еще более странно, если бы эти запретные размеры случайно совпали с типичными размерами планет.
Но косвенные доводы — это здорово, конечно, но слон в комнате заметен прежде всего своим отсутствием. До самого недавнего времени у нас не было никаких наблюдательных данных в пользу того, что еще хотя бы у одной звезды имеются планеты. В 1952 году Отто Струве предложил практический метод регистрации экзопланет, но прошло 40 лет, прежде чем этот метод принес первые плоды. В главе 1 мы говорили о том, что Земля и Луна ведут себя как танцоры разных весовых категорий — толстяк, танцующий с ребенком. Ребенок кружит вокруг партнера, чуть не летает, а толстяк лишь переступает и поворачивается на месте. То же можно сказать и о планете, обращающейся вокруг звезды: легковесная планета движется вокруг по большому эллипсу, тогда как массивная звезда всего лишь чуть покачивается.
Струве предложил использовать спектроскоп для регистрации этих колебаний. Из-за эффекта Доплера любое движение звезды слегка сдвигает ее спектральные линии. Величина сдвига указывает на скорость звезды; вывод о присутствии летающего вокруг ребенка можно сделать, наблюдая за тем, как покачивается толстяк. Этот метод работает даже тогда, когда планет несколько: звезда все равно покачивается, хотя и более сложным образом. На рисунке показано, как покачивается Солнце. Большая часть этого движения вызвана Юпитером, но и остальные планеты вносят свой вклад. Размах колебаний примерно соответствует трем радиусам Солнца.
Предложенная Струве методика доплеровской спектроскопии позволила Александру Вольщану и Дейлу Фрейлу в 1992 году достоверно обнаружить первую в истории экзопланету. Центральное тело относится к интересному типу звездных объектов, известных как пульсары. Эти тела характерны тем, что испускают частые и регулярные радиоимпульсы. В настоящее время мы считаем пульсары быстро вращающимися нейтронными звездами, названными так потому, что основную часть их вещества составляют нейтроны. Вольщан и Фрейл проанализировали методами радиоастрономии крохотные колебания в частоте импульсов, излученных пульсаром PSR 1257+12, и сделали вывод о существовании около него по крайней мере двух планет. Эти планеты слегка изменяют его наблюдаемую скорость вращения и тем самым оказывают влияние на распределение импульсов во времени. Их результат был подтвержден в 1994 году, и тогда же было установлено присутствие в системе третьей планеты.
Пульсары — довольно необычные звезды, и, в сущности, они не сообщают нам ничего существенного об обычных звездах. Но вскоре и обычные звезды начали раскрывать ученым свои секреты. В 1995 году Мишель Майор и Дидье Кело открыли экзопланету у звезды 51 Пегаса — звезды того же спектрального класса (G), что и Солнце. Позже оказалось, что обе группы проиграли гонку — еще в 1988 году Брюс Кэмпбелл, Гордон Уокер и Стивенсон Янг отметили подозрительные колебания звезды γ Цефея. Поскольку результаты были получены на пределе чувствительности приборов, исследователи не стали объявлять об обнаружении планеты, но уже через несколько лет появились новые данные, и астрономы пришли к выводу, что эта группа видела-таки экзопланету. Окончательно ее существование удалось подтвердить в 2003 году.
Сегодня нам известно более 2000 экзопланет — их число (на 1 июня 2016 года) составляет 3422 планеты в 2560 планетных системах, включая 582 системы с двумя и более планетами[69]. Плюс к тому имеются тысячи систем-кандидатов, наличие планет в которых еще предстоит окончательно подтвердить. Иногда, правда, признаки, считавшиеся ранее свидетельством наличия планет, находят иное объяснение и начинают интерпретироваться по-новому, зато кандидаты идут буквально потоком — так что эти цифры могут меняться как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения. В 2012 году было объявлено, что одна из звезд в ближайшей к нам системе двойной звезды α Центавра имеет планету размером с Землю, но намного горячее. На данный момент похоже, что этой планеты — она получила обозначение α Центавра Bb — на самом деле не существует, что это артефакт анализа данных. Однако за это время в той же системе у той же звезды был обнаружен еще один кандидат в экзопланеты — α Центавра Bc. У звезды Глизе 1132 — красного карлика в 39 световых годах от нас — определенно есть планета, GJ 1132b, которая вызвала сильное возбуждение в ученом сообществе, ведь по размеру эта планета примерно соответствует Земле (хотя слишком горяча, чтобы на ней была жидкая вода) и находится достаточно близко, чтобы можно было наблюдать ее атмосферу. В пределах нескольких десятков световых лет от нас планет много. В этом смысле мы не одиноки.
Поначалу единственным, что мы могли наблюдать, были «горячие Юпитеры» — массивные планеты, очень близкие к своим звездам. Конечно, это создавало превратное впечатление о том, какого типа миры мы можем встретить в открытом космосе. Но техника модернизируется, ее чувствительность стремительно растет, и сегодня мы можем регистрировать планеты размером с Землю. Кроме того, при помощи спектроскопии мы начинаем потихоньку выяснять, есть ли на них атмосфера или вода. Статистические данные свидетельствуют, что в нашей Галактике, да и во Вселенной в целом, планетные системы — дело обычное и землеподобных[70] планет на землеподобных орбитах вокруг солнцеподобных звезд, хотя их доля и невелика, насчитываются миллиарды.
Помимо спектроскопии, существует по крайней мере десяток других методов обнаружения экзопланет. Один из них — непосредственное фотографирование: направляешь очень мощный телескоп на звезду и высматриваешь планету. Это не так просто — все равно как увидеть горящую спичку в свете прожектора, но хитроумные техники маскирования, призванные исключить собственный свет звезды, позволяют иногда это сделать. Самый распространенный способ обнаружить экзопланету — это так называемый транзитный метод. Дело в том, что планета, проходя по диску звезды (с точки зрения земного наблюдателя), блокирует некоторую (небольшую) часть ее собственного света. Прохождение (транзит) планеты создает на кривой блеска звезды характерную ложбинку. Конечно, большинство экзопланет вряд ли ориентировано настолько удобно для нас, но доля тех, которые все же проходят по диску своей звезды, достаточно велика, чтобы такой подход к поиску экзопланет имел смысл.
Рисунок ниже — упрощенная иллюстрация к транзитному методу. Начиная прохождение, планета постепенно блокирует все большую долю излучения звезды. Как только диск планеты целиком оказывается на диске звезды, световой поток стабилизируется и остается примерно постоянным до тех пор, пока планета не подойдет вплотную к другому краю светила. По мере того как планета покидает диск звезды, ее видимый блеск возвращается к прежнему уровню. На практике звезда, как правило, по краям диска кажется менее яркой, а часть света может обогнуть планету, если у нее есть атмосфера. Более детальные модели учитывают эти эффекты и корректируют результат. На рисунке с изображением XO-1 в красном диапазоне можно видеть как реальную кривую блеска (точки) при прохождении экзопланеты XO-1b по диску звезды XO-1, так и соответствующую модель (сплошная линия).
Транзитный метод при тщательном математическом анализе позволяет получить информацию о размере, массе и орбитальном периоде планеты. Иногда он сообщает нам также химический состав ее атмосферы; его можно получить, сравнив спектр звезды со светом, отраженным от планеты.
NASA выбрало для своего телескопа Kepler — фотометра, измеряющего уровень блеска звезд с необычайной точностью, — именно транзитный метод. Kepler, запущенный в 2009 году, отслеживал блеск более чем 145 000 звезд на небольшой площадке на границе созвездий Лебедя, Лиры и Дракона. Наблюдать за ними планировалось по крайней мере три с половиной года, но маховики аппарата, призванные удерживать его ориентацию в пространстве, начали отказывать. В 2013 году программу работы аппарата изменили таким образом, чтобы он, хотя и потеряв часть своих возможностей, по-прежнему мог проводить полезные научные наблюдения.
Первая экзопланета, обнаруженная Kepler в 2010 году, получила название Кеплер-4b. Звезда, вокруг которой обращается эта планета, обозначается Кеплер-4 и находится на расстоянии 1800 световых лет от нас в созвездии Дракона; по характеристикам она аналогична Солнцу, но немного крупнее. Планета размером и массой схожа с Нептуном, но ее орбита проходит намного ближе к звезде. Период обращения этой планеты составляет 3,21 суток, а радиус орбиты — 0,05 а.е., около 1/8 расстояния от Меркурия до Солнца. Орбита заметно вытянута и имеет эксцентриситет около 0,25. На поверхности планеты царит невыносимый жар в 1700 K.
Несмотря на плохо работающие маховики, Kepler обнаружил 1013 планет у 440 звезд плюс 3199 кандидатов в планеты, действительную природу которых еще предстоит установить. Крупные планеты легче заметить, поскольку при прохождении они блокируют больше света, так что среди открытых Kepler экзопланет они, скорее всего, представлены шире, чем в реальной Вселенной. До некоторой степени, правда, этот эффект можно скорректировать. Kepler нашел достаточно экзопланет, чтобы можно было статистически оценить число планет с определенными характеристиками в нашей Галактике. В 2013 году NASA объявило, что Галактика, вероятно, содержит по крайней мере 40 миллиардов экзопланет земного размера на землеподобных орбитах около солнцеподобных звезд и красных карликов. Если это так, то Земля далеко не уникальна.