Наше місце в цьому світі
Кругообіг газу і пилу у всесвіті
Планети у подвійних зірок
Пошук планет у подвійних зірок почався в 1980-х рр. навіть ще раніше, ніж астрономи виявили перші свідоцтва існування будь-яких екзопланет, тобто, планет поза нашою Сонячною системою. Хоча проходження в системі подвійної зірки можуть виглядати набагато складнішими, надія відкрити такі планети харчувалася простим припущенням: якщо планета дійсно обертається навколо затменной подвійної зірки, слід очікувати, що вона рухається в тій же площині, що і самі зірки. Іншими словами, якщо з точки зору земного спостерігача зірки затьмарюють один одного. то і планета, швидше за все, буде затінювати одну або обидві зірки. Іншими словами, передбачається, що орбіти зірок і планети лежать в одній площині, - цілком розумна гіпотеза, яку можна було перевірити.
Астрономи відкривають далекі планети, які звертаються по орбіті навколо системи двох зірок, - дивні і загадкові світи, не схожі ні на що в нашій Сонячній системі
СВІТИ ПОДВІЙНИХ ЗІРОК
Багато в чому затемнювані подвійні зірки - саме той фундамент, на якому збудована астрофізика зірок. Якщо напрямок на спостерігача лежить в площині їх орбіти, то зірки на кожному орбітальному обороті проходять один перед одним, блокуючи частину випромінювання. Точно моделюючи, як послаблюється світловий потік вчасно затемнень, ми можемо з'ясувати розміри і форму зірок, а також геометрію їх орбіт. Укупі з іншими вимірами ми можемо визначити їх радіуси і маси. Тільки затемнювані подвійні зірки дозволяють надійно вимірювати маси і радіуси зірок, і ці дані потім використовуються для оцінки фізичних характеристик одиночних зірок і не затьмарюють один одного зіркових пар.
СВІТИ ПОДВІЙНИХ ЗІРОК
Подвійні зірки зустрічаються досить часто, і астрономи намагалися зрозуміти, чи можуть існувати планети подвійної зірки тобто планети, що обертаються навколо двох сонць. Деякі побоювалися, що умови навколо подвійної зірки можуть виявитися занадто нестабільними, що не дозволить там формуватися планет. Однак недавні відкриття показали, що планети подвійної зірки не тільки існують, ної можуть розташовуватися в зоні життя подвійної системи, де можливе існування рідкої води.
СВІТИ ПОДВІЙНИХ ЗІРОК
Якщо зірки в подвійній системі знаходяться дуже далеко один від одного, звертаючись з періодом, скажімо, в сотні років, то вони майже не впливають один на одного і поводяться так, як ніби-то знаходяться в повній самоті. Планети можуть звертатися навколо однієї із зірок, і в загальному випадку присутність другої зірки майже не робить на них впливу, Такі планети називають "планетами однієї зірки" або планетами S-класу: в минулому десятилітті були виявлені десятки таких планет.
Набагато цікавіше випадок, коли зірки настільки близькі один до одного, що оборот однієї навколо іншої займає всього кілька тижнів або навіть днів. Щоб планета в такий подвійний системі мала стабільну орбіту, вона повинна обертатися навколо обох зірок, а не однієї з них. Чисельні розрахунки показують, що відстань орбіти планети від зірок має бути більше мінімальної критичної величини. Якщо орбіта буде лежати занадто близько, що обертається подвійна система порушить стійкість орбіти планети і або поглине її, або викине в галактичний простір.
Мінімальна стабільне видалення планети приблизно в два-три рази більше відстані між зірками. Планети такого роду називають «планетами подвійної зірки», або планетами P-класу. У той час як планети, що обертаються навколо одиночних зірок і навколо однієї зірки в системах віддалених один від одного подвійних зірок, зустрічаються досить часто, вчені зацікавилися, чи може природа створити планетну систему у подвійної зірки, в якій планети обертаються навколо обох зірок.
У найпростішому випадку - одна зірка з одного планетою - проходження відбуваються з суворою періодичністю. що значно полегшує їх виявлення. Але додайте ще одну зірку, і система з трьох тіл почне демонструвати досить складні ефекти. Складність виникає завдяки тому, що зірки швидко рухаються (щодо центру мас системні. - Прим. Пер.), - на відміну від системи з однією зіркою, де світило практично нерухомо. Оскільки дві зірки розташовані набагато ближче один до одного ніж до планеті, вони повинні звертатися один навколо одного швидше, ніж планета навколо них, - відомий закон Йоганна Кеплера, керуючий рухом планет. Таким чином, планета буде проходити перед швидко рухомими об'єктами і іноді буде перетинати зоряний диск раніше, а іноді пізніше. Хоча ці проходження точно передбачувані (якщо відомі маси і орбіти тел), вони відбуваються не періодично. Крім того, тривалість проходження буде змінюватися в залежності від відносного руху планети і зірки, яку вона закриває: якщо вони рухаються в одному напрямку, час проходження буде більше, колись зірка знаходиться на іншій половині своєї орбіти і рухається в протилежний бік, проходження буде коротшим. Ці зміни ускладнюють виявлення планет подвійної зірки, але вто же час дають важливу перевагу: коли орбіта подвійної зірки розшифрована, картину змінюються моментів і тривалості проходжень можна використовувати для надійного підтвердження присутності планети в подвійній системі. Жодне інше астрономічне явище не демонструє такої картини. Це унікальна властивість планети подвійної зірки - залізне свідчення її існування.
Як це було в перший раз
Подвійні зірки надзвичайно різноманітні. Деякі рухаються по величезним замкнутим кільцям своїх орбіт навколо загального центру мас, здійснюючи повний оборот за сотні років. Ці зірки поводяться так, як ніби вони ізольовані; планета 5-класу може обертатися навколо кожного члена такої пари, майже не відчуваючи впливу з боку другої зірки. Але зірки, розташовані близько одна до одної, можуть обертатися за кілька тижнів або навіть днів. Багато років залишалося неясним, чи можуть планети P-класу вижити в умовах хаотично мінливого гравітаційного поля, звертаючись навколо пари зірок.
ДВА КЛАСУ планет У ПОДВІЙНИХ СИСТЕМАХ
В системі трьох тіл невидимий супутник подвійної системи може видати свою присутність двома основними шляхами. Уявіть собі дві зірки, що затьмарює один одного, і відносно велику планету, що обертається віддалік навколо цієї парочки. Зірки подвійної системи рухаються навколо одна одної, а й центр мас цієї пари рухається навколо центру мас системи всіх трьох тіл. Тому зірки подвійної системи виявляються то трохи ближче до Землі, то трохи далі. Коли вони розташовані далі, світло зірок йде до нас довше і затемнення спостерігаються трохи пізніше. Коли зірки розташовані ближче до нас, затемнення спостерігаються раніше. Чим більше маса третього тіла, тим більше ця різниця. Циклічний ефект, пов'язаний з часом подорожі світла, дозволяє зробити висновок про присутність невидимого об'єкта і оцінити його масу, І чим далі відстоїть третього тіло від подвійної системи, тим більше цей ефект, оскільки додаткове відстань, а значить, і затримка в часі, зростає по правилом важеля. У разі нашої передбачуваної планети протягом приблизно 230 днів не було піддаються вимірюванню циклічних змін початку затемнень, а це означало, що невидиме тіло має невелику масу. Але наскільки невелику?
Впливати на подвійну системи третім тіло може і безпосередньо своєю гравітацією. Цей так званий динамічний ефект частіше, ніж ефект, пов'язаний з часом подорожі світла, використовують для вивчення об'єктів, близько розташованих один до одного. Невидимий супутник злегка змінює орбіти зірок в подвійній системі, а це впливає на моменти початку затемнень. Оскільки менша з двох зірка наближається до третього тіла ближча, ніж велика, її орбіта буде обурена сильніше. На відміну від ефекту часу подорожі світла динамічний ефект впливає на моменти затемнень більш складним чином.
Один з наших колег по науковій групі, яка працювала з телескопом "Кеплер", Деніел Фабрицкого (Daniel С. Fabryeky) із Чиказького університету зазначив, "що об'єкт зоряної маси повинен сильно впливати на часи затемнень, тоді як планета проявить себе набагато слабшим, але потенційно піддається вимірюванню чином. що стосується нашої системи, в ній динамічний ефект мав проявитися набагато сильніше ефекту різниці в часі проходження світла. Ми шукали і в підсумку знайшли зміни в часі початку затемнень, які показали, що тяжіння зірки (до невидимому тілу. - Прим. пер) і близько не досягало величини, яку створив би супутник зоряної маси.
Потужний фінальний акорд в цьому дослідженні пролунав, коли Джошуа Картер (Joshua Л. Carter) з Гарвард-Смітсонівського центру астрофізики побудував складну комп'ютерну модель системи. Вона в точності збіглася з усіма даними спостережень для планети з масою майже як у Сатурна. Прекрасне збіг даних спостережень і моделювання підтвердило існування планети і дало виключно точні значення радіусів, мас і орбітальних характеристик системи.
ЯК ВИЯВИТИ ПЛАНЕТИ НАВКОЛО многозвездной СИСТЕМ
Подвійні зірки - унікально корисні астрономічні об'єкти, легко розкривають свої таємниці. Якщо для земного спостерігача ці зірки при русі по орбітах затьмарюють один одного, ми можемо багато чого довідатися про кожну з них, вимірюючи ослаблення їх яскравості під час затемнень. Цим можна скористатися і для виявлення планет, які обертаються навколо подвійних зірок. Але помітити планети не так просто - системи з трьох тіл можуть вести себе дуже складно. Тут показані ідеалізовані версії ефектів, які шукають астрономи.
В системі затемнених подвійних зірок кожна зірка на короткий час блокує світло інший,
створюючи періодичні падіння яскравості
Якщо планета проходить перед зіркою, вона може заступити частина випромінювання зірки. У подвійних системах самі зірки рухаються. В результаті іноді планета проходить перед головною зіркою раніше, а іноді пізніше. Крім того, якщо планета і зірка рухаються в одному напрямку, проходження буде більш тривалим, а якщо в протилежних - більш коротким. Цей ефект дає затримку в кілька днів і навіть більше.
3. Проходження планети на тлі подвійної зірки
Наша планета Kepler-16Ь стала першою виявленої транзитної планетою, що рухається навколо подвійної зірки. Поєднання транзитних і динамічних ефектів зробило це відкриття незаперечним. Оскільки з поверхні цієї планети кожна з двох зірок повинна виглядати як наше Сонце. Kepler-16Ь незабаром отримала прізвисько Татуїн в честь вигаданої планети з кіноепопеї «Зоряні війни»: на ній теж повинні спостерігатися подвійні сходи й заходи. Наукова фантастика стала науковим фактом.
Новий клас планет
Динамічна зона життя
Тенденція відкритих «Кеплером» планет подвійної зірки розташовуватися поблизу області нестабільності має цікаві наслідки. У досліджених «Кеплером» зірок межа цієї області, як правило, розташована поблизу зони життя - області навколо зірки (в даному випадку - навколо двох зірок), де її випромінювання підтримує на поверхні планети температуру, необхідну для існування рідкої води. Ближче до зірки - і вода на планеті закипить; далі - і вода замерзне. А рідка вода - це необхідна умова для існування життя, якою ми її знаємо.
Навколо одиночної зірки зона життя має сферичну форму. У подвійній системі кожна зірка має власну зону життя, які зливаються в деформований сфероид, якщо зірки розташовані близько один до одного, як у випадку виявлених «Кеплером» планет подвійної зірки. У міру того як зірки обертаються навколо одна одної, результуюча зона життя також обертається разом з ними. Оскільки зірки рухаються швидше, ніж планети, зони життя повертаються швидше, ніж планети обертаються навколо своїх зірок.
СВІТИ ПОДВІЙНИХ ЗІРОК
На відміну від Землі, яка має майже кругову орбіту навколо Сонця, відстань планети подвійної зірки до кожного зі своїх сонць дуже сильно змінюється протягом її року. Таким чином, пори року на планеті, ймовірно, змінюють один одного за кілька тижнів, у міру того як зірки кружляють навколо одна одної. Ці кліматичні зміни, судячи з усього, великі і квазірегулярних: «Мабуть, це неприборкана стихія», - зауважує Орос.
Дві зі знайдених транзитних планет подвійної зірки розташовані в зоні життя своїх сонць - дивно великий відсоток. Правда, знаходження в зоні життя - умова необхідна, але не достатня для існування життя. Наприклад. Місяць теж знаходиться в зоні життя за наше Сонце, проте вона абсолютно ненаселена, оскільки через невеликої маси її гравітація занадто слабка, щоб утримати атмосферу. І все ж той факт, що така значна частка планет подвійної зірки розташована в своїх зонах життя, змушує задуматися. Яка може бути життя і тим більше цивілізація на цих планетах при настільки різко і швидко змінюваних пори року?
Лоренс Дойл астрофізик Інституту SETi в Маунтін-В'ю, штат Каліфорнія
Вільям Уелш професор астрономії Каліфорнійського університету в Сан-Дієго