PSR 1257+12 с периодом вращения 6,2 мс. Дело в том, что во времени прихода радиоимпульсов от этого пульсара не было ожидаемой регулярности (у некоторых пульсаров точность периодов превосходит точность атомных часов). Вольщан обнаружил, что во времени прихода сигналов от пульсара PSR 1257+12 наблюдались незначительные, но регулярные отклонения.
С помощью телескопа Very Large Array («Очень большая антенная решетка»), или VLA, названного по традиции очень оригинальным образом, Вольщан перепроверил координаты, а также уточнил периоды накладывающихся на пульсацию возмущений – они оказались равны 66,6 и 98,2 суток. Будь у PSR 1257+12 два компаньона, эту нерегулярность можно было бы объяснить. Но что это за компаньоны? Вряд ли кто-нибудь в то время предполагал, что компаньонами могут оказаться не другие звезды. Но, используя законы Кеплера, Вольщан оценил массы потенциальных компаньонов PSR 1257+12, и они оказались слишком малыми для звезд.
Вольщан долго не понимал, что ему посчастливилось обнаружить. Но, как говорил знаменитый герой Конан Дойла, «отбросьте все невозможное, то, что останется, и будет ответом, каким бы невероятным он ни казался». Вот и у Вольщана остался самый невероятный ответ: на орбите вокруг пульсара находятся две планеты, каждая из которых в четыре раза больше Земли. Позже выяснится, что в их дружной компании есть еще одна планета примерно вдвое больше Луны.
Самая сложная загадка заключается в том, как эти планеты там оказались. Как вы, вероятно, уже поняли, область пространства возле пульсара – это последнее место во Вселенной, где разумный человек будет искать планеты. Мощнейший взрыв сверхновой испарит все в ее планетной системе. Так почему же эти странные планеты оказались так близко к пульсару? Точный ответ на этот вопрос не известен никому. Рассматривается два варианта: экзопланеты были захвачены извне, или же они образовались из вещества, выброшенного сверхновой. Но что произошло на самом деле, в ближайшее время мы, скорее всего, не узнаем. Как бы то ни было, открытие состоялось, и экзопланеты возле пульсара PSR 1257+12 вошли в историю как первые обнаруженные и подтвержденные планеты вне Солнечной системы.
В тот день, когда человечество полетит к звездам, возможно, именно пульсары будут использоваться в качестве естественной навигационной системы. Идея определения положения и скорости космического корабля по пульсарам была предложена еще в 1974 году35. Сейчас открыто несколько типов пульсаров, являющихся источником излучения в радио-, гамма– и рентгеновском диапазонах волн. Рентгеновские пульсары отлично подходят для космической навигации: принимающий рентгеновское излучение детектор может иметь площадь около 100 см2, тогда как для регистрации радиопульсаров, например, нужны тарелки диаметром 25–100 м. Когда космический корабль летит в пространстве, он меняет свое положение относительно Земли и выбранного рентгеновского пульсара, характеристики излучения которого мы знаем: надо всего лишь сравнить рассчитанное и фактическое время прибытия радиоимпульса, чтобы определить координаты и скорость космического аппарата по отношению к Земле. Система, использующая три и более пульсаров, позволит вычислить координаты космического аппарата относительно Земли. В 2017 году космический аппарат NICER в качестве подтверждения целесообразности этого метода смог определить свое положение с точностью до 5 км36, наблюдая за пятью пульсарами с орбиты вокруг Земли. Это стало первой демонстрацией в космосе метода пульсарной навигации. В недалеком будущем мы сможем определять положение космических кораблей с точностью до 2 км на расстоянии до 30 а. е. от Земли!37
Глава 6. Метод радиальных скоростей и Галактика, полная странных планет
Хотя мы понимаем, как определить форму [звезд], их массу и движения, мы никогда не сможем исследовать их химический и минералогический состав… или даже их плотность.
Планеты около пульсара PSR 1257+12 были странными. Но не менее странной оказалась и следующая обнаруженная экзопланета. В 1994 году швейцарские астрономы Мишель Майор и Дидье Кело открыли первую планету возле солнцеподобной звезды. За это они удостоились Нобелевской премии по физике в 2019 году, разделив ее с космологом Джеймсом Пиблсом. Остановимся на этом открытии подробнее. Начать мне хочется с описания истории и сути метода доплеровской спектроскопии, благодаря которому и было совершено открытие.
Наука, изучающая спектры, словно поставившая себе цель опровергнуть слова философа-позитивиста Огюста Конта, вынесенные в эпиграф к этой главе, – спектроскопия, позволила находить невидимые ни в один телескоп планеты у далеких звезд[32]. И это стало настоящим подарком для астрофизиков. Но путь к звездам оказался тернистым и занял три столетия. Как же сложно определить время и место начала этой истории! Усилием воли предположим, что первый шаг сделал Исаак Ньютон в 1666 году, стеклянной призмой разложив пучок света в радужную полоску. Этот опыт, описанный во всех учебниках физики для средней школы, наверное, впервые показал, что обычно видимое и воспринимаемое нами – всего лишь иллюзия. О своем опыте Ньютон писал следующее: «В начале 1666 года (в это время я занимался шлифовкой стекол иных форм, чем сферические) я достал треугольную стеклянную призму, чтобы произвести с нею опыты над знаменитым явлением цветов. Для этой цели, затемнив свою комнату и проделав небольшое отверстие в оконных ставнях для пропускания в нужном количестве солнечного света, я поместил призму там, где входил свет, так что он мог преломляться к противоположной стене. Зрелище живых и ярких красок, получавшихся при этом, доставляло мне приятное удовольствие»38.
Исаак Ньютон
В этом, ставшем хрестоматийным, опыте Ньютон разложил свет в радужный спектр. И хотя это явление, даже по словам самого ученого, уже было знаменито – о разложении солнечного света на цвета писали Рене Декарт, Франческо Мария Гримальди и Роберт Гук, – заслуга Ньютона состоит в том, что он, судя по всему, первым получил четкий спектр, состоящий из семи цветов, и связал с каждым цветом показатель преломления. Все исследователи до него довольствовались лишь мутными картинками. Ньютоновская интерпретация опытов вызвала сопротивление у уже известных и заслуженных оптиков того времени, у того же Гука например, но в конечном счете она оказалась верна.
В 1800 году исследовать спектры взялся астроном Уильям Гершель. В своих опытах он помещал чувствительный термометр в разные участки разложенного в спектр луча солнечного света. Оказалось, что помещенный в красную часть спектра термометр нагревается сильнее всего, а в фиолетовую – слабее всего. Более того, Гершель обнаружил, что термометр, помещенный за пределы красного цвета в невидимую глазу область, нагревается еще сильнее39. Теория о существовании невидимого более «горячего», чем даже в красной части спектра, излучения напрашивалась сама собой. Так были открыты инфракрасные лучи. Гершель также заметил, что мельчайшие доли примесей в горючем веществе дают различные цвета пламени, и он был первым, кто предложил по цвету огня определять химический состав смесей различных веществ.
Чуть позже Томас Юнг установил, во-первых, что свет имеет волновую природу, а во-вторых, что цвет излучения зависит от длины волны света. Свет, распространяющийся в пространстве, можно представить себе волнами на глади пруда. Длина волны, и ее частота, связаны следующим образом:
где c – скорость распространения волны света (в вакууме она равна 300 000 км/с и одинакова для всех видов электромагнитного излучения.
Следующее важное событие произошло в 1802 году. В этом году английский химик и минералог Уильям Хайд Волластон опубликовал статью, в которой сообщал о неких темных промежутках в солнечном спектре40. К сожалению, природу темных линий он не понял, а потому не смог осознать и значимость совершенного им открытия. Ничего интересного в нем не увидели и читатели статьи. На самом же деле эти промежутки оказались линиями поглощения, о которых я уже упоминал.
В 1814 году изучением свойств солнечного света занялся молодой немецкий оптик Йозеф Фраунгофер. В исследованиях ему помогали стекла непревзойденного на тот момент качества, изготовлявшиеся на принадлежащей ему фабрике. Вместо пяти линий поглощения Волластона Фраунгофер смог увидеть их целое множество. Он обнаружил, что линии поглощения в солнечном спектре соответствуют определенным частотам41 – с тех пор эти линии называют линиями Фраунгофера.
Йозеф Фраунгофер не ограничился исследованиями спектра Солнца и изучал спектры других планет и звезд: Венеры, Марса, Сириуса, Кастора, Бетельгейзе и так далее. Линии поглощения наблюдались у всех исследуемых Фраунгофером звезд: они напоминали своего рода отпечатки пальцев, опознавательные знаки, отличавшие одну звезду от другой, – у каждой из звезд свой уникальный набор. А вот спектр Венеры оказался удивительно похожим на спектр Солнца, и это значило, что Венера светит отраженным светом Солнца. В 1859 году Густав Кирхгофф показал, что линии поглощения в спектрах соответствуют химическим элементам в составе излучающих тел, и объяснил, какие линии с какими элементами соотносятся42. Три из пяти темных полос, обнаруженных Волластоном, чуть позже идентифицировали как линии поглощения, соответствующие натрию, молекуле CH и ионизированному кальцию.
Кристиан Доплер
В мае 1842 года Кристиан Доплер, профессор математики в Пражском университете, прочитал лекцию для богемского научного сообщества, в которой утверждал, что свет, подобно звуку, может претерпевать изменение частоты вследствие движения источника. В этой лекции он сделал ошибочное предположение, что звезды движутся друг относительно друга со скоростями, которые составляют значительную часть от скорости света. Следовательно, в силу эффекта Доплера меняется частота воспринимаемого нами света. Если звезда удаляется, мы видим ее красной или оранжевой, а если приближается, то голубой.