Спектроскопии около ста лет, а эффекту Доплера еще больше. Почему нам пришлось столько ждать, чтобы найти экзопланету? Движение, которое необходимо зарегистрировать, крайне мало — настолько, что его амплитуду почти невозможно измерить. Это как слепому пытаться начать видеть лучше. Нужна очень сложная стратегия обнаружения такого движения, при этом любые самые незначительные перемены, например, в температуре или давлении сильнее влияют на спектр звезды.
В последнее время появилось несколько технологий, которые смогли нам помочь. Первая — компьютеры, с которыми в конце 1980-х годов пришли и детекторы. Мы используем электронные детекторы, которые изначально были очень маленькими, но со временем становились все крупнее, чтобы записать большой спектр.
Из телекоммуникаций мы позаимствовали оптическое волокно, позволяющее передавать свет, и это привело к крупным изменениям. Долгое время астрономам приходилось всю ночь проводить в обсерватории, поскольку только через телескопы они могли наблюдать за звездами и фиксировать данные. С оптическим волокном таких проблем нет, потому что его можно присоединить к телескопу, а дальше передать полученный поток звездного света на аппаратуру, расположенную под землей. Инструменты больше не висят на телескопе, не движутся, вся аппаратура стабильна.
Оптическое волокно и детекторы — два основных компонента, которые позволили совершить прорыв в поиске экзопланет. Кроме того, появились и новые математические способы вычисления скорости при небольшой амплитуде движения, а также множество способов фиксации изменений в спектрографе.
Итак, все эти компоненты появились чуть больше чем 20 лет назад. Основываясь на этих компонентах, я настроил новую машину на телескопе, расположенном на юге Франции. Машина называлась ELODIE, и это был спектрограф, при помощи которого мы обнаружили первую экзопланету около другой звезды. Мы по-прежнему используем подобные технологии, но они сильно улучшились. Теперь мы можем фиксировать мельчайшие изменения — движения чего-то непомерно маленького в бескрайних просторах космоса. В течение 20 лет в этой технологии произошел невероятный прорыв. Изначально мы едва могли обнаружить планету вроде Юпитера, но теперь мы регистрируем планеты, сравнимые по массе с Землей. Они все еще должны быть близко к звезде, так что мы по-прежнему ограничены в технологиях. Мы не можем увидеть или зарегистрировать планету вроде Земли на том расстоянии от звезды, на которое Земля удалена от Солнца, но мы над этим работаем, и скоро это будет возможно.
С помощью этих технологий можно узнать период обращения планеты, расстояние между планетой и звездой, а также минимальную массу, которая крайне близка к массе планеты. Этот способ интересно объединить с совершенно другой техникой — транзитом, прохождением одного небесного тела перед другим для наблюдателя с Земли. По тени от планеты на звезде мы получаем соотношение их размеров. Если мы узнаем массу, то сможем определить и плотность, что для физиков будет невероятной удачей, ведь это дает возможность определить состав планеты. Если плотность планеты близка к плотности воды, это не может быть планета земного типа: для этого ей нужно иметь плотность как у силикатов или камней.
С помощью миссии COROT открыли первую каменную экзопланету. Затем большая, системная миссия «Кеплер» от NASA позволила сделать колоссальный прорыв, и мы смогли зарегистрировать намного больше планет, чем при помощи COROT. «Кеплер» позволил нам составить черновую картину того, насколько планеты разнообразны, и дал возможность открыть около четырех тысяч планет. Так мы поняли, что существует намного больше планет размером с Землю, чем размером с Юпитер. Мы также знаем, что если где-то есть планета, то с большой долей вероятности там будет вторая, третья, четвертая, ведь все планеты существуют системами.
Объединив размер и массу, проведя системное исследование и получив доступ к мультипланетным системам, мы стали понимать, что существует множество планет, отличных от тех, которые мы видим в Солнечной системе. При помощи транзитного метода мы обнаружили множество планет, расположенных ближе к своей звезде, чем в нашей системе. Транзит — это, по определению, чувствительный к расстояниям метод.
Мы поняли, что около 50% звезд имеют планеты размером с Землю, расположенные невероятно близко к ним, что сказывается на их периоде обращения. Он может составлять от двух до двадцати дней. Это знание радикально изменило наше представление о разнообразии планет во Вселенной, поскольку, если бы вы кого-то спросили 20 лет назад, вам бы ответили: «Ну, все планеты должны выглядеть так же, как в Солнечной системе». Некоторые даже говорили, что при помощи транзитного метода или доплеровской спектроскопии невозможно зафиксировать ни одну планету, поскольку эти методы очень чувствительны к планетам, расположенным близко к звездам. Но если взять планеты вроде Земли или Юпитера, то окажется, что они расположены слишком далеко, и их труднее увидеть, поскольку амплитуду сигнала, движение звезды, влияние тени в таком случае установить намного сложнее.
Сегодня нам известны тысячи экзопланет, большинство из которых отличаются от планет Солнечной системы. Большинство данных о них обнаружены благодаря двум методам — транзиту и спектроскопии.
В будущем мы хотим получить фотографии планет. Сегодня есть несколько снимков, но из-за яркого света их крайне сложно сделать. Чтобы получить фотографию планеты, нужно подавить свет звезды и разобраться с размытием атмосферы. Между нами, телескопами и небом есть атмосфера Земли, которая немного движется. Чтобы нивелировать все эти эффекты, попытаться заморозить картинку и повысить ее качество, используются особые уловки — активная оптика. Такими способами получили первые изображения планетной системы, сейчас конструируется новая серия телескопов с большими зеркалами. Мы надеемся, что с их помощью и методами, которые уже применяли для создания фотографий, мы добьемся больших успехов и следующее большое открытие в области экзопланет придет не от измерения скорости или транзита, а из прямых изображений этих миров. И с ними мы получим информацию об атмосферах на планетах, обращающихся вокруг других звезд.
Это перевод материала нашего англоязычного издания Serious Science. Послушать оригинальную версию лекции Дидье Кело можно по ссылке. За перевод благодарим Ирину Линеву.
