cycyron (cycyron) wrote,
cycyron
cycyron

Межзвёздные странники

Оригинал взят у alex_anpilogov в Межзвёздные странники



На верхней фотографии — истинный размер Галактики Андромеда (туманность M31, галактика NGC 224) на нашем ночном небе. Он составляет около 3,5° дуги, что как минимум в семь раз превосходит угловой размер Луны и Солнца на нашем небосводе, составляющим всего лишь 30' или 0,5° дуги.

Однако, увидеть Туманность Андромеда столь чётко, как это изображено на заглавной фотографии, практически нереально: большая часть этой галактики будет видна только в случае многоминутной экспозиции регистрирующей матрицы, так как светимость большинства звёзд этого удалённого объекта ничтожна.
В случае же наблюдения М31 невооружённым взглядом, даже через хороший оптический телескоп, можно увидеть лишь центральную, самую яркую часть М31.

С похожей ситуацией сталкиваются сегодня и астрономы-исследователи, которые пытаются наблюдать и идентифицировать экзопланеты. Большинство экзопланет на сегодняшний день найдено отнюдь не там, где «потеряли пятак», а в том месте, где «светит фонарь».
Ну а поскольку реально светят в наши приборы — телескопы, интерферометры именно звёзды, то и ищем мы планеты скорее возле звёзд нежели где-либо ещё в бескрайнем космосе.
Причём оба основных метода поиска экзопланет — транзитный (на основании прохода экзопланеты по диску звезды) и метод лучевых скоростей (на основании колебания звезды вокруг общего с планетой центра масс и доплеровского сдвига излучаемого ею света) основаны именно на анализе света звезды. Светом же планеты в этом случае практически можно пренебречь.
Завязан на свет звёзд и метод прямого наблюдения экзопланет — только в этом случае мы регистрируем не затемнение силуэтом планеты излучаемого света материнской звезды, а отражённый звёздный свет, который посылает нам планета своей поверхностью.


Три экзопланеты, обнаруженных возле звезды HR 8799 (закрыта центральной маской) методом прямого наблюдения. Каждая из планет больше Юпитера где-то в 10 раз — это типичные «сверх-Юпитеры».

Интересно, что с совершенствованием оптических инструментов, которыми располагает человечество, растёт и число планет, которые мы именно «видим» (прямое наблюдение), а не косвенно «регистрируем» (метод лучевых скоростей и транзитный метод).
Всё дело в том, что косвенные методы регистрации экзопланет, несмотря на всю их эффективность в деле обнаружения планет возле далёких звёзд, всё-таки не лишены своих недостатков.
Во-первых, сама по себе регистрация периодических уменьшений яркости или колебаний лучевой скорости звезды, в принципе, оставляет возможность того, что это лишь поведение самого центрального светила а не влияние на него экзопланеты и, во-вторых, оба основных косвенных метода предполагают, что плоскость эклиптики далёкой звёздной системы находится близко к плоскости луча наблюдения её с Земли — только в этом случае легко засечь доплеровский сдвиг лучевой скорости звезды или есть высокая вероятность увидеть проход планеты по диску звезды.

Кроме того, и метод лучевых скоростей, и метод транзитов хорошо подходят только для короткопериодических планет, а вот в случае планет, обращающихся на удалённых от звезды орбитах, лучше использовать метод прямого наблюдения — во-первых, в этих областях, далёких от звезды, обычно находятся яркие и заметные газовые планеты-гиганты, а во-вторых, значительный размер орбиты таких экзопланет позволяет «вживую» увидеть ту самую дугу в несколько долей угловой секунды, которые разделяют звезду и планету на нашем ночном небе.
Однако, понятное дело, для такого рода наблюдений необходимы просто-таки гигантские оптические приборы, которые пока практически невозможно поднять в космос. В силу этого их пока что строят в высокогорных района Земли.
Вот, как пример, размер сооружаемого сверхбольшого телескопа Е-ELT в Чили (зеркало диаметром в 40 метров) в сравнении с размерами египетских пирамид и уже сооружённых четырёх сверхбольших телескопов VLT (8-метровые зеркала) в том же Чили:


E-ELT в сравнении с четырьмя телескопами VLT и египетскими пирамидами.

Звездная величина планеты типа Юпитера, удаленного на 1 а.е. от звезды типа Солнца, что соответствует расстоянию от Солнца до Земли, при наблюдении нами её с расстояния в 10 парсек, будет иметь звёздную величину около 24m. Если учесть, что в 8-ми метровый телескоп типа VLТ сегодня видно объекты до 27m, а 10-метровые телескопы Обсерватории Кека на Гавайях видят звёзды до 29m, то от строящегося гигантского 40-метрового E-ELT следует ожидать непосредственного наблюдения экзопланет вплоть до 30-31m, что также очень существенно увеличит их количество, увеличит максимальное расстояние обнаружения и снизит планку обнаружения методом прямого наблюдения вплоть до экзопланет размером с «суперземлю».

Кроме того, использование таких наземных телескопов, которые легко могут быть перенаправлены в любую часть доступного им звёздного неба, снимают ограничения, которые, например, имеет орбитальный телескоп «Кеплер», неподвижно зафиксированный на весьма узком квадрате звёздного неба, где он и ведёт свои наблюдения экзопланет.
Ну и, понятным образом, исходя из специфики метода прямого наблюдения, с пуском этих «сверхтелескопов» фиксация экзопланет выходит из ситуации «ищем там, где светит фонарь» (где эклиптика звёздной системы расположена по лучу наблюдения), а приходит к возможности регистрировать достаточно яркие экзопланеты при любом положении плоскости их обращения вокруг центральной звезды относительно луча на Солнечную систему.

В целом же усилия человечества по созданию сверхбольших телескопов можно увидеть на вот этой наглядной инфографике (кликабельно):


Пунктирные круги, объединяющие зеркала телескопов, означают интерферометры.

Хорошо видно, насколько зорче стало человечество начиная с 1975 года, когда самым большим телескопом был советский 6-метровый БТА-6 — и насколько более острым глазом будет обладать Земля к середине 2020-х годов, когда в эксплуатацию войдут 30 и 40-метровые сверхбольшие телескопы.
Даже вроде бы скромный рост звёздной величины регистрируемых светящихся объектов с 27m на VLT (2002 год) до 30-31m на Е-ELT (2024 год) даёт, по факту, практически стократное увеличение оптических возможностей земных телескопов, так как разница в 5m абсолютной звёздной величины соответствует уменьшению светимости объекта в 100 раз.

Кроме того, дополнительные возможности даёт и вариант использования волновых свойств света, который используется при построении интерферометров. Это, по сути дела, «виртуальные телескопы», которые позволяют добиваться гораздо более внушительной угловой разрешающей способности.

Так, в 1999 году на обсерваторию Кека была установлена одна из первых систем адаптивной оптики, позволяющая устранять атмосферные искажения. Использование управляемой лазером адаптивной оптики на длине волны 2 микрона делает возможным получение изображений с разрешением 0,04 дуговых секунды. Это был практический предел для единичного 10-метрового зеркала.
Однако, уже в 2001 году на Обсерватории Кека был установлен интерферометр, связывающий оба телескопа вместе. Так как телескопы «Кек I» и «Кек II» находятся на расстоянии около 85 метров друг от друга, это позволило добиться разрешения, эквивалентного телескопу с 85-метровым зеркалом, то есть около 0,005 угловых секунды — или в 8 раз лучше, чем для каждого из телескопов по отдельности.

Интерферометры будущего, составленные из мощных наземных телескопов, позволят уже производить невозможное в недавнем прошлом, например, наблюдать видимые диски далёких звёзд.
У ближайшей к нам Альфы Центавра угловой размер – 0,006". Диск Альфы Центавра (обеих главных компонент, размером примерно в Солнце), будет виден почти на пределе разрешения у E-ELT и будущих интерферометров. Кстати, по крайней мере одна подтверждённая планета у Альфы Центавра тоже есть, и ее можно будет наблюдать непосредственно, прямым способом.


Нет, это не Звезда Смерти. Так будет выглядеть E-ELT во время работы с с системой адаптивной оптики, управляемой лазерами.

И, в общем-то, такой прогресс в разрешающей способности телескопов и регистрации столь тусклых объектов, как экзопланеты, уже приносит свои плоды — даже на существующих 8-10 метровых телескопах и собранных на их основе интерферометрах.

Так, уже в ноябре 2012 года с помощью существующих сверхбольших земных телескопов была обнаружена совершенно уникальная планета — так называемый «космический бомж» или планета-сирота.
Речь идёт об объекте CFBDSIR-2149-0403, который представляет собой новый, но, судя по всему, совершенно обыденный для нашей Галактики класс объектов — одиночную планету, не связанную значимым гравитационным взаимодействием ни с одной из ближайших звёзд и путешествующей по Галактике в гордом (или печальном) одиночестве. Расстояние до «сироты» составило около 40 парсек или около 100 световых лет. Определить его точнее достаточно трудно: мы пока что очень мало предстваляем себе мир так называемых «сверх-Юпитеров» и «коричневых карликов», к которым и относится CFBDSIR-2149-0403

Эпизод открытия CFBDSIR-2149-0403 наглядно показал, что в случае экзопланет, даже открыв практически 2000 экзопланет в более, чем 1000 звёздных системах, мы по-прежнему ищем их не там, где «потеряла пятак» экзопланет наша Вселенная, а в том месте, где светит наш личный «фонарь», то бишь — эффективно работают наши собственные регистрирующие системы.


CFBDSIR-2149-0403 в представлении художника. В инфракрасных лучах.

CFBDSIR-2149-0403 оказалась отнюдь не уникальна — как по классу, так и исходя из последующих открытий планет-сирот.
Собственная масса «сироты» составляет всего 4-7 масс нашего Юпитера, а температура поверхности — около 400 °С, в силу чего одиночка светит в основном в инфракрасном диапазоне. Планета достаточно молода: по всем расчётам возраст CFBDSIR-2149-0403 приблизительно составляет от 50 до 120 миллионов лет — именно такие сроки диктует собственная температура беглянки, которая подогревается исключительно за счёт остатков собственных «ядерных головешек» — дейтерия и трития, лития, бериллия и бора, которыми планету-сироту снабдило изначальное протопланетное облако.

Уже в ноябре 2013 года воспоследовало следующее открытие планеты-сироты. Астрономы Эдинбургского университета, используя инфракрасный телескоп Южной европейской обсерватории в Чили, получили изображения планеты, расположенной в 75 световых годах от Земли. Диаметр этого необычного объекта, которому присвоили условное обозначение PSO J318.5-22, примерно равен Юпитеру, но весит он в 6,5 раз больше, как это и положено сверх-Юпитерам.


Попалась! Изображение PSO J318.5-22 в инфракрасном диапазоне.

Возраст PSO J318.5-22 оказался ещё меньше возраста CFBDSIR-2149-0403 и составил всего лишь 12 миллионов лет — практически мгновение в истории нашей Солнечной системы. Определили этот возраст, исходя из температуры ещё не остывшей планеты, так как она оказалась даже выше, чем температура весьма горячего CFBDSIR-2149-0403 и составила около 900 °С.
Дело в том, что такие «сверх-Юпитеры» очень быстро сжигают остаток своих лёгких элементов, для которых не нужны температуры в сотни миллионов градусов термоядерной реакции на протии, как в настоящих звёздах. Уже упомянутые дейтерий, тритий, литий, беррилий и бор хоть и горят в гораздо более щадящих условиях (что и позволяет нам надеяться на термоядерный синтез на Земле), но составляют лишь мизерную часть от массы протопланетного облака, так как большую часть своего водорода любая звезда пережигает в гелий, а потом — в углерод и кислород.
А вот на лёгкие элементы и тяжёлые изотопы водорода остаётся совсем немного, чего и хватает всего лишь на 100-200 миллионов поддержания тусклого свечения такого странствующего «сверх-Юпитера».

На сегодняшний день мы знаем уже 8 планет-сирот — три подтверждённых (CFBDSIR-2149-0403, PSO J318.5-22 и ещё более далёкий и горячий OTS 44), которые можно отнести к классу «сверх-Юпитеров» и чуть больших и массивных «коричневых карликов», и 5 определённых с большой долей вероятности.


Различие в размерах между Юпитером, коричневым карликом, красным карликом и Солнцем. Строго говоря — границы тут весма размыты.

Учитывая короткий срок активной, «видимой» жизни таких бабочек-однодневок в нашей Галактике и наши несовершенные средства их обнаружения, открыть уже под десяток планет-сирот на 2000 «семейных» экзопланет — это безумно много.
Речь идёт о том, что мы обнаружили на своём заднем дворе интересных «белых тараканов» (неаппетитные подробности — по ссылке), то бишь, обыденное в эволюции планетарных систем, но весьма кратковременное событие.

То есть, с одной стороны, планеты-сироты уже обнаружены не в одиночном экземпляре, но, с другой стороны, их цикл жизни подразумевает, что, за счёт быстрого остывания «потухших» сверх-Юпитеров, их должно быть на порядки больше (достаточно разделить 13 млрд. лет возраста Галактики на 100-200 миллионов лет периода остаточного свечения сверх-Юпитера).
В общем, тут как с белыми тараканами на вашей кухне: если вы увидели двух бледных тварей на своей столешнице, то ещё сотня скинула панцири гораздо раньше и прячется где-то по тёмным щелям. В силу чего на повестку дня встаёт вопрос закупки дихлофоса.

Откуда же взялись все эти «космические бомжи»?
Судя по последним моделям эволюции практически любой звёздной системы — её начальный период протекает отнюдь не столь идиллично, как мы думали раннее (типа планетки спокойно сконденсировались да и начали свой размеренный бег вокруг светила по зараннее распределённым орбитам)
Скорее — в начале времён любую планетную систему сотрясают столкновения, изменения орбит, а то и «выстрелы из гравитационной пращи» планетами-неудачниками, прочь из материнского гнезда протопланетного облака.
Называется такой сценарий «модель Ниццы» и о его этапах можно посмотреть по ссылке.

Один из вариантов «модели Ниццы» допускает, что образование планеты-сироты произошло и в нашей Солнечной системе. Когда-то в начальный период эволюции, примерно 4-4,5 миллиарда лет тому назад, в ней находилась еще одна планета-гигант, которая была вытолкнута из неё и отправлена куда-то путешествовать.

Компьютерное моделирование, которое учитывает положения «модели Ниццы», покывает одним из сценариев, что наблюдаемых четырех планет-гигантов — Юпитера, Сатурна, Нептуна и Урана, оказывается мало для того, чтобы наша система образовалась в том виде, который она сейчас имеет. Вероятность такого события составляет всего лишь 2,5 %. А вот присутствие пяти планет-гигантов резко поднимает вероятность текущей Солнечной системы до двузначных процентных цифр.

Дэвид Несворни, автор этой гипотезы, провел около 6 тысяч «экспериментов» по симуляции образования и развития Солнечной системы. И получил схожие результаты, которые указывают на пятую планету, ка кодин из наиболее вероятных вариантов.

Согасно выводам ученого, от своего «брата-близнеца» избавился Юпитер, который вытолкнул его за пределы Солнечной системы, а сам перешел на более дальнюю орбиту, попутно раздвинув и орбиты Сатурна, Урана и Нептуна.

Где сейчас находится бывший член Солнечной системы, можно только гадать. За 4 миллиарда лет мог улететь достаточно далеко. И остыть, став незаметным даже для инфракрасных телескопов Земли.
В целом же, основываясь на наблюдениях в инфракрасном диапазоне и оценках, основанных на применении «модели Ниццы» к образованию звёздных систем, можно заключить, что число планет-сирот в межзвездном пространстве может втрое превосходить количество звезд в Галактике, достигая ошеломляющей величины в 600 миллиардов свободно движущихся вне притяжения звёзд планет.
Вдобавок к ещё минимум 1-2 триллионам планет, «сидящих дома», не считая уже квадрилионна-другого кометных адер и астероидов...


Насколько много мы уже знаем, например, об астероидах....


...и насколько много пустого места даже в нашей собственной Солнечной системе
(путешествие от Солнца до Юпитера со скоростью света).


Что, как вы понимаете, внезапно заполняет зияющую пустоту между нами и весьма далёкими от нас звёздами, хотя от этого, конечно же, космос не перестаёт быть «громадным пустым местом».



Tags: Космос
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 0 comments