Кометы и планеты живут дольше звезд? Такие удивительные и красивые планеты

Первой открытой экзопланетой стала планета у звезды 51Peg в созвездии Пегаса. Фактически планета у звезды 51Peg была обнаружена в 1994 году, но официально объявили об этом лишь осенью следующего года. Сообщения об открытии планет появлялись и раньше, в течение почти всей второй половины ХХ века, но неизменно опровергались. Справедливости ради начать следует с классической (и самой долгой) истории поиска гипотетических планет у звезды Барнарда ("летящей"), открытой в 1916 году.

Звезда Барнарда – четвертая из ближайших к Солнцу звезд. В астрофизике звезды классифицируют по типам, в зависимости, главным образом, от их температуры. Солнце – звезда класса G2, с температурой излучения около 6000 К. Звезда Барнарда – сравнительно холодный и маломассивный красный карлик позднего класса M5V. Э. Барнард был охотником за кометами, причем не бескорыстным: правительство США тогда платило премии за находки комет. Свою звезду в 1916 году он открыл случайно, благодаря главной ее особенности – большому видимому движению по небу, около 10 угловых секунд в год. Позже другой исследователь из США, П. Ван де Камп, заинтересовался звездой Барнарда и не прекращал ее исследования более полувека. Движение звезды он начал изучать в 1938 году, используя астрометрический метод (точное определение координат объекта и его положения относительно других звезд), и, накапливая наблюдательный материал, настойчиво продолжал эту работу до 1980-х годов. Ван де Камп использовал фотопластинки своих наблюдений на 61-сантиметровом телескопе американской обсерватории Спроул, основную часть которых он провел в 1950-1978 годах. По результатам астрометрического анализа 2400 снимков Ван де Камп нашел, что след звезды Барнарда на фотопластинке образует слабо волнистую линию с размахом колебаний до 0,0005 мм, что соответствует периодическому смещению звезды на 0,04 угловой секунды. Такие колебания могли бы возникать под действием обращающейся вокруг звезды массивной планеты, так как в действительности оба тела обращаются вокруг общего центра масс, который, конечно, отстоит от центра звезды гораздо ближе, чем от центра планеты (во столько же раз ближе, во сколько масса звезды больше массы планеты). В таком же равновесии находятся, скажем, бабушка и внучка, качающиеся на противоположных концах доски. Чтобы никто из них не перевешивал, опора доски (барицентр) должна быть значительно ближе к массивной бабушке, чем к легкой внучке. Звезда и планета не качаются, а обращаются вокруг барицентра, но его положение определяется тем же условием. Чем массивнее планета и чем меньше масса звезды, тем заметнее должны быть периодические колебания в движении последней. Так как звезда Барнарда быстро движется, отдельные точки ее последовательных положений складываются в слегка волнистый след, считал Ван де Камп (см. "Наука и жизнь" № 9, 1973 г.).

Из данных Ван де Кампа следовало, что возмущения в движении звезды вызывает планета с массой Юпитера (или больше) и примерно с его же орбитой. В дальнейшем де Камп говорил уже о двух планетах, с периодами 12 и 26 лет. Популярность исследований де Кампа росла, чему способствовало и то, что он умел хорошо владеть аудиторией. Однако некоторые скептики относились к его данным недоверчиво.

Н. Вегман, один из близких коллег де Кампа, провел независимые измерения, колебаний в положении звезды Барнарда не обнаружил, но публиковать свои результаты не стал. В 1971 году Д. Гейтвуду, который тогда был аспирантом Аллеганской обсерватории (США), предложили исследовать движения звезды Барнарда в качестве диссертационной темы. Компьютеры тогда только входили в астрономическую практику, но Гейтвуду удалось разработать новый астрометрический прибор – многоканальный компьютеризированный фотометр, который в значительной мере исключал возможные ошибки измерений. Для надежности измерения проводились независимо в двух обсерваториях. Когда накопилось достаточное количество снимков, запустили программу их обработки. Вокруг громоздкого грохочущего принтера собрались все участники работы. "Это был странный случай, все произошло так быстро, за минуты, – рассказывал Гейтвуд. – Мы смотрели на выползавшую из принтера распечатку, причем не знали, какая из звезд – Барнарда. И вот появилась звезда с возмущениями около 30 тысячных секунды дуги. Я оживился. Бог мой, вот она! Мы нашли! Фантастика! Мы столпились, разглядывая, обсуждая, и тогда… тогда я увидел номер звезды. Это была не звезда Барнарда! Это была двойная звезда с возмущающим компаньоном". Далее появился совершенно ровный, без какой-либо волнистости, след звезды Барнарда.

Де Камп до конца своих дней настаивал на существовании планет у звезды Барнарда. Он умер в 1995 году, в год, странно совпавший с открытием первой подлинной экзопланеты у звезды 51Peg.

Наряду с астрометрией исследователи рассматривали и другие возможные методы поиска планет. В обзорах 80-х годов ХХ столетия приводились вполне обоснованные оценки возможностей методов лучевых скоростей (о нем ниже) и наблюдений внесолнечных планетных тел в оптическом и в инфракрасном диапазонах.

Метод прямой фотометрической регистрации экзопланет по отраженному ими свету в 1970 – 1990-х годах обсуждали многие исследователи. Автор в одной из своих работ 1986 года рассматривал выполнимость такой регистрации планет, исходя из самых-самых предельных технических возможностей. Принималось, что планетная система подобна Солнечной, наблюдаемой с расстояния 5 пк. Отношение света, отраженного планетой, к свету Солнца очень мало и составляет для Венеры и Юпитера одну миллиардную, а для Земли еще в четыре раза меньше. Идеальная оптическая система космического телескопа диаметром 2,6 метра с идеальным приемником могла бы создать фототок в 10-20 фотоэлектронов в секунду от света Юпитера. В принципе такой ток можно измерить, но шум регистрации фототока от самой звезды превышает эти значения в 10 тысяч раз, поэтому система должна быть очень сложной. Расчеты показывали, что задача требует длительности экспозиции не менее 10 часов.

Технические сложности метода прямой регистрации были причиной скептического к нему отношения. Теоретически большими преимуществами обладает радиометрический метод, который отличается от фотометрического только диапазоном длин волн. Фокус здесь заключается в использовании особенностей планковской кривой излучения абсолютно черного тела. Регистрируется не отраженный свет, а собственное инфракрасное излучение планеты в диапазоне 25-50 мкм. Длина волны выбирается правее максимума планковской кривой для планеты, где выигрыш получается наибольшим. К тому же, в отличие от оптической фотометрии, тепловое излучение исходит от всей поверхности планеты, а не только от освещенной стороны. С учетом свойств уравнения Планка отношение интенсивности инфракрасного излучения Юпитера и Солнца получается в 150 тысяч раз больше отношения их яркостей в оптическом диапазоне. Но реальный выигрыш, по техническим причинам, не превышает 100 раз.

Эффективность метода прямой регистрации (в оптическом диапазоне) все-таки была доказана наблюдениями планеты у так называемого коричневого карлика 2M1207. Это особый случай, о котором рассказывается ниже.

Распределение интенсивности излучения в спектре абсолютно черного тела. Если в видимой области отношение яркости звезды и планеты достигает десятков миллиардов, то в области Рэлея -Джинса - всего около ста.

Белый объект справа - это «коричневый» (инфракрасный) карлик 2М1207. По-видимому, у этой карликовой звезды есть планета (слева на снимке). Масса планеты - примерно пять масс Юпитера; она находится на расстоянии 55 а.е. - в 10 раз дальше от звезды, чем Юпитер от Солнца. (Снимок получен в Южно-Европейской обсерватории Паранал (Чили) с помощью так называемой адаптивной оптики 8-метрового телескопа.)

Ни одна из большого числа различных моделей происхождения и развития Солнечной системы не удостоилась перевода в ранг общепризнанной теории.

Согласно гипотезе Канта – Лапласа система планет вокруг Солнца образовалась в результате действия сил притяжения и отталкивания между частицами рассеянной материи, находящейся во вращательном движении вокруг Солнца.

Впервые английский физик и астрофизик Дж. Х. Джинс (1877 - 1946) предположил, что когда-то Солнце столкнулось с другой звездой, в результате чего из него была вырвана струя газа, которая, сгущаясь, превратилась в планеты. Учитывая огромное расстояние между звездами, такое столкновение кажется невероятным.

Из современных гипотез происхождения Солнечной системы наиболее известна электромагнитная гипотеза шведского астрофизика Х. Альфвена (1908 - 1995) и английского Ф. Хойла (1915 - 2001). Согласно этой теории первоначальное газовое облако, из которого образовались и Солнце и планеты, состояло из ионизированного газа, подверженного влиянию электромагнитных сил. После того, как из огромного газового облака посредством концентрации образовалось Солнце, на очень большом расстоянии от него остались небольшие части этого облака. Гравитационная сила стала притягивать остатки газа к образовавшейся звезде – Солнцу, но его магнитное поле остановило движущийся газ на различных расстояниях – как раз там, где находятся планеты. Гравитационные и магнитные силы повлияли на концентрацию и сгущение этого газа. В результате образовались планеты. Когда возникли самые крупные планеты, тот же процесс повторился в меньших масштабах, создав, таким образом, системы спутников.

Известна также гипотеза образования Солнечной системы из холодного газопылевого облака, окружающего Солнце, предложенная советским ученым О.Ю. Шмидтом (1891 - 1956).

Согласно общепринятой в настоящее время гипотезе, формирование Солнечной системы началось около 4,6 млрд. лет назад с гравитационного коллапса небольшой части гигантского межзвездного газопылевого облака. Это начальное облако было, вероятно, размером в несколько световых лет и являлось прародителеи для нескольких звезд.

В процессе гравитационного сжатия размеры газопылевого облака уменьшились и, в силу закона сохранения углового момента, росла скорость вращения облака. Центр, где собралась большая часть массы, становился все более и более горячим, чем окружающий диск. Из-за вращения скорости сжатия облака параллельно и перпендикулярно оси вращения различались, что привело к уплощению облака и формированию характерного протопланетного диска с диаметром примерно 200 а.е. и горячей, плотной протозвезды в центре. Полагают, что в этой точке эволюции Солнце было звездой типа Т Тельца. Изучение таких звезд показывает, что они часто сопровождаются протопланетными дисками с массами 0,001 – 0,1 солнечной массы, с подавляющим процентом массы туманности, сосредоточенным непосредственно в звезде. Планеты сформировались аккрецией из этого диска (рис.27).

В течение 50 млн лет давление и плотность водорода в центре протозвезды стали достаточно большими для начала термоядерных реакций. Температура, скорость реакции, давление и плотность увеличились, пока не было достигнуто гидростатическое равновесие, с тепловой энергией, противостоящей силе гравитационного сжатия. На этом этапе Солнце стало полноценной звездой главной последовательности.

Рис.27 Эволюция Солнца

Солнечная система просуществует, пока Солнце не начнет развиваться вне главной последовательности диаграммы Герцшпрунга – Рассела, которая показывает зависимость между яркостью звезд и температурой их поверхности. Более горячие звезды являются более яркими.

Солнце сжигает запасы водородного топлива, при этом выделяющаяся энергия, имеет тенденцию к исчерпанию, заставляя Солнце сжиматься. Это увеличивает давление в его недрах и нагревает ядро, таким образом ускоряя сжигание топлива. В результате Солнце становится ярче на примерно десять процентов каждые 1,1 млрд лет.

Через приблизительно 5 - 6 млрд. лет, водород в ядре Солнца будет полностью преобразован в гелий, что завершит фазу главной последовательности. В это время внешние слои Солнца расширятся примерно в 260 раз – Солнце станет красным гигантом. Из-за чрезвычайно увеличивающейся площади поверхности, она будет гораздо более прохладной, чем при нахождении на главной последовательности (2600 К).

В конечном счете, внешние слои Солнца будут выброшены мощным взрывом в окружающее пространство, образовав планетарную туманность, в центре которой останется лишь небольшое звездное ядро – белый карлик, необычно плотный объект в половину первоначальной массы Солнца, но размером с Землю. Эта туманность возвратит часть материала, который сформировал Солнце, в межзвездную среду.

Теории происхождения Солнечной системы носят гипотетический характер, и однозначно решить вопрос об их достоверности на современном этапе развития науки невозможно. Во всех существующих теориях имеются противоречия и неясные места.

Отсутствие общепризнанной версии происхождения планетной системы имеет свое объяснение. Прежде всего, единственность объекта наблюдения исключает применение сравнительного анализа и заставляет решать нелегкую задачу восстановления истории на основании одних только знаний о сегодняшнем состоянии Солнечной системы. Например, представления об эволюции звезд от их рождения до гибели получены благодаря накоплению и статистической обработке наблюдаемых данных о современном состоянии множества звезд разных классов, находящихся на разных стадиях развития. Неудивительно, что о развитии далеких от нас звезд астрономия знает существенно больше, чем о происхождении и развитии места нашего обитания – Солнечной системы.

Таким образом, солнечная система – очень сложное природное образование, сочетающее разнообразие составляющих ее элементов с высочайшей устойчивостью системы как целого. При огромном числе и разнообразии составляющих систему элементов, при тех сложных взаимоотношениях, которые устанавливаются между ними, задача определения механизма ее образования, оказывается очень непростой.

В Солнечную систему входят:

· Солнце;

· 4 планеты земной группы: Меркурий, Венера, Земля, Марс и их спутники;

· пояс малых планет – астероидов, куда входит планета – карлик Церера;

· бесчисленное число метеоритных тел, движущихся как роями, так и одиночно.

· 4 планеты – гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и их спутники;

· сотни комет;

· кентавры;

· транснептуновые объекты: пояс Койпера, куда входят 4 планеты – карлика: Плутон, Хаумеа, Макемаке, Эрида и рассеянный диск;

· Отдаленные области, куда входит облако Оорта и Седна;

· Пограничные области.

Солнце

Солнце относится к рядовым звездам нашей Галактики и представляет собой раскаленный газовый (плазменный) шар преимущественно гелиево- водородного состава, который разбавлен примесью (около 1%) остальных химических элементов, соотношение которых изменяется от поверхности к ядру. В верхних слоях Солнца водорода содержится около 90 %, а гелия – 10 %. В ядре содержится лишь 37 % водорода. Соотношение между водородом и гелием с течением времени изменяется в пользу гелия, поскольку уже в течение 4,5 млрд. лет на Солнце протекают термоядерные реакции, превращающие ядра водорода в ядра гелия. Ежесекундно около 600 млн. т водорода превращаются в гелий при температуре около 15 млн. 0 С. При этом 4,3 млн. т переходит в лучистую энергию (рис.28).

Безжизненный космос вовсе не пустынен. Он объединяет в себе огромную массу всяческих тел разной природы, размеров и с разным названием. Среди них - метеоры, метеориты, кометы, болиды, планеты и звезды. Причем каждая из категорий космических тел внутри себя делится еще и на виды, разницу между которыми зачастую может понять только астроном со стажем. Попробуем пока разобраться в основополагающих принципах, например, в том, чем звезды отличаются от планет.

Главное отличие

Самое первое, основное и не подлежащее сомнению различие - способность светиться. Любая звезда обязательно испускает свет, планета же этим свойством не обладает. Конечно, близлежащие планеты тоже выглядят светящимися пятнышками - красноречивым примером может служить Венера. Но это не ее собственное свечение, она всего лишь «зеркало», в котором отражается свет истинного источника - Солнца.

Кстати, это очень хороший способ того, как отличить планету от звезды чисто визуально, без дополнительных оптических приборов. Если светящаяся точка на ночном небосклоне «подмигивает», то есть мерцает, - будьте уверены, это звезда. Если исходящий от небесного объекта свет ровный и постоянный - значит, отражает свет ближайшего светила. И это самый первый и явный признак, показывающий нам, чем звезды отличаются от планет.

Второе отличие, вытекающее из первого

Способность излучать свет свойственна только очень горячим поверхностям. Как пример можно рассмотреть металл, который сам по себе не светится. Но если его нагреть до нужной температуры, металлический предмет раскаляется и излучает пусть и слабый, но свет.

Так что второе, чем звезды отличаются от планет, - очень высокая температура этих космических тел. Именно это позволяет звездам светиться. Даже на поверхности самого холодного светила температура не опускается ниже 2000 градусов К. Обычно звездные температуры измеряются в Кельвинах, в отличие от привычного нам Цельсия.

Наше Солнце намного горячее, в разные периоды его поверхность нагревается до 5000, а то и 6000 К. То есть «по-нашему» это будет 4726.85 - 5726.85 °C, что тоже впечатляет.

Необходимое уточнение

Указанные температуры характерны только для звездных поверхностей. Еще чем звезды отличаются от планет, так это тем, что внутри они гораздо более горячие, чем снаружи. Даже поверхностные температуры на некоторых звездах достигают 6000 К, а в центре светил предположительно они зашкаливают за миллионы градусов Цельсия! Пока что нет ни возможностей, ни необходимой техники, ни даже формулы расчетов, с помощью которых можно было бы определить внутреннюю «градусность» звезд.

Размеры и движение

Размеры звезд и планет отличаются так же грандиозно. По сравнению с небесными «фонарями» планеты - просто песчинки. Причем это касается и веса (массы), и объема. Если вместо Солнца поставить посреди свободного пространства яблоко средних размеров, то для обозначения положения Земли понадобится горошинка, отнесенная на сотни метров. Сравнение и звезд показывает, что объемы вторых в тысячи, а то и миллионы раз превышают тот объем в космосе, которое занимают первые. С массой немого другие соотношения. Дело в том, что все планеты - твердые тела. А звезды в основном газообразны, иначе которыми и обеспечиваются заоблачно высокие температуры светил, были бы попросту невозможны.

А чем отличается планета от звезды еще? Планета по определению имеет траекторию движения, называемую орбитой. И она обязательно окружает звезду как более весомое Звезда же неподвижна на небосклоне. Если набраться терпения и несколько ночей следить за определенным участком неба, движение планеты можно заметить даже слабо вооруженным глазом (но хотя бы без любительского телескопа обойтись не получится).

Дополнительные признаки

Размеры звезд и планет не определить на глазок. Но некоторые отличия, которые точно характеризуют требуют еще более специфического оборудования. Так, химический состав, который доступно определить по точно скажет, планета или звезда перед нами. Ведь светила - это газообразные гиганты, следовательно, они состоят из легких элементов. А планеты включают в себя в основном твердые составляющие.

Косвенным признаком может быть наличие спутника (а то и нескольких). Они имеются только у планет. Однако если спутника не наблюдается, это вовсе не означает, что перед нами однозначно звезда - некоторые планеты неплохо обходятся и без таких «соседей».

У астрономов есть еще один признак определения того, планета ли только что обнаруженное космическое тело. Орбита, по которой оно движется, не должна содержать посторонних объектов, грубо говоря, мусора. Спутники таковым не считаются, они достаточно крупного размера, иначе бы упали на поверхность. Такое правило принято достаточно недавно - в 2006 году. Благодаря ему Эрида, Церера и - внимание! - Плутон теперь считаются не полноправными, а

Астрономические расчеты

Научные работники отличаются повышенной любознательностью. Прекрасно зная, чем звезды отличаются от планет, они, тем не менее, полюбопытствовали, что произойдет, когда массивность планеты превзойдет, например, размеры Солнца. Оказалось, что такое повышение размеров планеты приведет к резкому возрастанию давления в ядре космического тела; далее температура достигнет миллиона (или нескольких) градусов; начнутся ядерные и термоядерные реакции - и вместо планеты мы получим новорожденную звезду.

Все мы довольно часто слышим, что учеными на такой-то звезде или на какой-то там планете обнаружено что-то или кто-то, или просто проведены исследования и … так далее. Но, мало кто задумывается, почему планеты называются планетами, а звезды именно звездами, и какими они обладают важными отличиями, раз одних отделили от других? При этом практически каждый из нас хотя бы раз в своей жизни задавался довольно глупым вопросом: «Солнце это звезда или планета?» Также практически каждый человек сразу ответит на данный вопрос, что Солнце – это, конечно же, звезда, но вот объяснить, почему именно звезда, а не планета способен далеко не каждый.

Возникает вполне логичный вопрос: в чем же заключается различие между звездой и планетой?

Отличие между ними просто огромное, хотя на первый взгляд и не очень заметное

1. Первоочередное и самое главное – звезды способны самостоятельно излучать свет и тепло, в отличие от планет, которые способны только отражать попадающие на них лучи света от других светил, являясь по своей сути темными телами.

2. Звезды обладают гораздо более высокими температурами поверхности, чем любая из известных на данный момент планет. Средние температуры их поверхностей колеблются от 2000 до 40000 градусов, не говоря уже о слоях расположенных ближе к центру космического тела, где температуры, возможно, достигают даже миллионов градусов.

Данные SDO, аппарата изучающего Солнце, за три года работы

3. Звезды значительно превосходят даже самые крупные планеты по своей массе.

4. Все планеты движутся по орбитам относительно своих светил, которые, в свою очередь, в тот же самый момент остаются совершенно неподвижными. Это происходит аналогично тому, как наша Земля вращается вокруг Солнца. Благодаря этому имеется возможность наблюдать у планет различные фазы точно так же, как и у Луны.

5. Все планеты по своему химическому составу образованы как из твердых, так и из легких частиц, в отличие от звезд преимущественно состоящих только из легких элементов.

6. Планеты часто обладают одним или сразу несколькими спутниками, а вот звезды таковых «соседей» никогда не имеют. Но при этом отсутствие спутника это, конечно же, еще не факт, что данное космическое тело не является планетой.

7. На поверхностях абсолютно всех звезд обязательно происходят ядерные или термоядерные реакции, сопровождающиеся взрывами. В свою очередь, на поверхностях планет данные реакций не наблюдаются, ну если только в исключительных случаях, и то только на ядерных планетах и только очень-очень слабые ядерные реакции.

Можно точно утверждать…

Теперь можно абсолютно точно утверждать, что Солнце — это типичная звезда (так называемый желтый карлик G-типа). Потому что вокруг него вращаются 8 планет, образующие вместе с ним Солнечную систему; оно самостоятельно излучает свет и тепло — средняя температура поверхности 5000-6000 K; состоит преимущественно из легких элементов, таких как водород и гелий — почти 99%, и всего лишь 1% составляют твердые вещества; на его поверхности постоянно протекают термоядерные реакции; и своими размерами оно превосходит в несколько раз любую планету Солнечной системы.

В «астрономических календарях» часто можно видеть фразы наподобие "Солнце перейдет в созвездие Тельца ", "Меркурий в верхнем соединении с Солнцем ", и т.п. Казалось бы, в них нет никакого практического смысла, ведь рядом с Солнцем на небе ничего не разглядеть.

На этой фотографии вы легко узнаете Плеяды - рассеянное звездное скопление в форме маленького ковшика, обычно украшающее зимнее ночное небо. Но что это за лучи расходящиеся снизу? Засветка от уличного фонаря? Нет, эти лучи - часть солнечной короны, а само Солнце находится совсем рядом, за нижним краем снимка.

Чтобы увидеть звезды рядом с Солнцем, надо создать искусственное затмение. Нет, не надо загораживать Солнце монеткой. Такое затмение уже создано и продолжается уже почти 20 лет. Происходит оно на борту космической обсерватории SOHO . Обсерватория является совместным проектом NASA и ESA, и была запущена ракетой Atlas II-AS с мыса Канаверал 2 декабря 1995 года.