За что дали Нобелевскую премию 2019: как была открыта первая планета за пределами Солнечной системы
Дидье Кело и Мишель Майор
Экзопланета (сокращение от extrasolar planet — «внесолнечная планета») — это планета, которая расположена за пределами Солнечной системы. Проще говоря, люди называют практически все планеты во Вселенной экзопланетами, ведь в Солнечную систему по состоянию на 2019 год входит только восемь планет. Однако на протяжении целых тысячелетий человеческая цивилизация даже не знала, существует ли что-то за пределами Земли. Астрономия прошла долгий путь от лженауки до науки, отвечающей за целую Вселенную. И даже когда у людей уже была перед глазами карта Солнечной системы, они знали, что такое звёзды, научились за ними наблюдать и сформировали космологические теории о создании и строении нашего мира, человечество не могло дать реальных подтверждений существования планет за пределами Солнечной системы. Страшно сказать, но первую подтверждённую экзопланету люди обнаружили всего 24 года назад.
Художественное представление планеты, вращающейся вокруг звезды
В 1995 году астрономы Мишель Майор и Дидье Кело при помощи сверхточного спектрометра обнаружили покачивание звезды 51 Пегаса (51 Pegasi) с периодом 4,23 суток. Причиной данного явления оказалась гигантская экзопланета 51 Пегаса b. По данным учёных, её масса составляет 47% массы Юпитера, однако она расположена гораздо ближе к своей звезде и от этого гораздо горячее. Это стало первым подтверждённым открытием экзопланеты. В 2015 году Международным астрономическим союзом звезде было присвоено собственное имя «Гельветиос» (Helvetios), в честь кельтского племени, которое проживало на территории современной Швейцарии. Планета же получила название «Димидий» от латинского слова Dimidium, что означает «половина». Это, несомненно, отсылка на то, что масса планеты примерно равняется половине массы Юпитера. Эта экзопланета также является представителем класса горячих юпитеров.
Экзопланета 51 Пегаса b рядом со своей звездой в представлении художника
Открытие было радикальным не только потому, что это была первая подобная находка, но и потому, что оно пошатнуло теории человечества о формировании и эволюции планет. В Солнечной системе гигантские планеты (такие, как Юпитер или Сатурн) расположены в 5-10 раз дальше от звезды, чем Земля, и имеют температуру ниже -100℃. Считается, что они были сформированы в газопылевом диске на ранних стадиях развития молодой звезды путём накопления газа и льда. Причём, исходя из некоторых моделей развития Солнечной системы, тогда Юпитер находился даже дальше от светила, чем сейчас. И люди думали, что подобным образом формируются все системы. Обнаружение же горячего юпитера 51 Пегаса b показало, что во Вселенной существуют и другие способы планетообразования, кардинально отличающиеся от известных.
Обсерватория Верхнего Прованса
Самое интересное, что открытие 51 Пегаса b — результат не только технологического прогресса, но и простой случайности. Конечно, тогда у учёных появился доступ к передовому спектрографу ELODIE, установленному в Обсерватории Верхнего Прованса (Haute-Provence Observatory) на юго-востоке Франции, что дало им один из точнейших инструментов для измерения длин волн света других звёзд. Но чтобы обнаружить первую экзопланету должны были совпасть и другие параметры: её достаточно большая масса, небольшое расстояние от звезды и относительно малый сидерический период (промежуток времени, в течение которого какое-либо небесное тело-спутник совершает вокруг главного тела полный оборот).
Небольшая инфографика
Однако существующие на тот момент теории формирования планет и модель Солнечной системы говорили о том, что крупные планеты не могут находиться так близко к звезде. Поэтому никто в то время не занимался активными поисками. Майор и Кело были уверены, что уйдут многие годы на то, чтобы их программа поиска принесла хоть какие-то плоды. Но уже через год со старта наблюдений учёные задумались о том, что познания человечества в этом вопросе не совсем точные. Им удалось сделать своё открытие, используя метод Доплера (также известный как метод радиальных скоростей).
Иллюстрация движения звезды под влиянием планеты (анимация по клику)
Когда планета вращается вокруг звезды, звезда тоже начинает двигаться по определённой (естественно, гораздо меньшей) орбите вокруг центра масс всей системы. Другими словами, гравитационное влияние планеты на звезду заставляет её вращаться вокруг точки между ними. Из-за этого движения свет звезды, который мы можем наблюдать с Земли, меняется. Такое явление называется эффектом Доплера. Когда звезда движется по направлению к наблюдателю, её свет имеет меньшую длину волны, чем в статическом положении. Происходит синее смещение. Когда звезда движется от наблюдателя, длина волны света увеличивается и происходит красное смещение. Регистрация таких периодических сдвигов длины волны указывает на то, что вокруг звезды вращается какой-то объект, например, экзопланета. Изучая периодичность сдвигов, можно рассчитать скорость, с которой звезда движется от и к наблюдателю (радиальную скорость), а также время обращения планеты вокруг звезды. Максимальная радиальная скорость даёт учёным представление о массе экзопланеты, исходя из зависимости, что более крупные планеты, расположенные ближе к светилу, заставляют его двигаться быстрее.
Иллюстрация изменения длины волны света при движении звезды относительно Земли
Например, движение Солнца, вызванное Юпитером, имеет максимальную радиальную скорость 13 метров в секунду. Период обращения планеты вокруг звезды составляет примерно 12 лет. Для того чтобы с Земли обнаружить подобную Юпитеру планету, которая бы вращалась вокруг подобной Солнцу звезды, ушло бы 12 лет при условии использования светоизмерительного спектрографа с точностью до нескольких метров в секунду. Обнаружить планету, похожую на Землю, ещё сложнее, так как максимальная радиальная скорость была бы около 9 сантиметров в секунду. Учитывая, что точность ELODIE была чуть более 10 м/с, учёные действительно не предполагали обнаружить что-либо в течение десятка лет. Однако 51 Пегаса b располагается к своей звезде в 100 раз ближе, чем Юпитер к Солнцу, период обращения составляет всего 4,2 дня, а не 12 лет, а максимальная радиальная скорость — 60 м/с. Таким образом, Майор и Кело уже в течение года со старта наблюдений смогли обнаружить первую экзопланету класса горячих юпитеров. Существование 51 Пегаса b быстро подтвердили другие команды, используя другие методы и инструменты.
Сравнение некоторых известных горячих юпитеров художником
Революционное открытие Майора и Кело позволило людям переосмыслить теории о зарождении и формировании планет, а также подстегнуло всё астрономическое сообщество к новым наблюдениям и открытиям. По состоянию на 10 декабря 2019 года достоверно подтверждено существование 4144 экзопланет, варьирующихся от горячих юпитеров до планет земного типа. Среди них даже есть планеты, имеющие схожие с Землёй размеры, благоприятную температуру и другие условия для зарождения жизни в той форме, в которой мы её знаем.
Джеймс Пиблз
Пару слов также стоит сказать и о Джеймсе Пиблзе. Как отметили в Нобелевском комитете, в своих исследованиях он посягнул на весь космос и в течение почти двух десятилетий разрабатывал теоретические основы, на которых базируется всё современное понимание истории Вселенной, начиная от Большого взрыва до наших дней. Считается, что Вселенная появилась около 14 миллиардов лет назад в виде чрезвычайно плотной и горячей точки, которая постоянно расширяется и становится всё холоднее. Джеймс Пиблз в своих исследованиях попытался изучить разного рода излучения, которые доходят до нашей планеты с другого конца Вселенной, так как именно они дают представление о ранней структуре нашего мира.
Официальная иллюстрация Нобелевского комитета
В 1964 году никто не интересовался космологией, так как она считалась «тупиковой областью». Однако Пиблз продолжал исследования. Он внёс значительный вклад в модель Большого взрыва, хотя ему никогда не нравилось это название, так как, по его мнению, оно не отражает суть происходивших процессов. Он предсказал такое явление, как реликтовое излучение. Пиблз был ведущим специалистом при описании таких понятий, как тёмная материя и тёмная энергия. Сыграл важную роль в создании теории формирования космических структур. Эти и многие другие достижения постепенно вдохнули жизнь в космологию, превратив заброшенную область науки в настоящую науку. «Имеет смысл заниматься наукой, если она вас восхищает», — сказал Пиблз во время пресс-конференции в Стокгольме.