ОТ НАБЛЮДЕНИЙ ЗВЕЗД
ДО НАБЛЮДЕНИЙ ПЛАНЕТ У ЗВЕЗД

Борислав Славолюбов

Ранние представления.
Возрождение. Рождение европейской науки.
Классическая астрономия.
Появление астрофизики.
Физика обгоняет астрономов.
Первые открытия внесолнечных планет.
Триумф спектрального анализа.
Далекие затмения.
Будущие успехи в окрестностях Солнечной системы.
Что нас ждет в будущем?

РАННИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ

Мысли о существовании планетных систем, подобных нашей, возникли у человечества значительно раньше конца 20 века. Считается, что греческие атомисты в 5 веке до нашей эры стали первыми, кто предположил множественность миров во Вселенной. Письменных источников древнее, к сожалению, не сохранилось.

Миры возникают следующим образом: много тел всех видов и форм бесконечно двигаются в пространстве, сближаясь друг с другом и участвуя в отдельном водовороте, в котором они сталкиваются и расходятся, разделяясь, повторяя весь путь снова:
Левкипп (~480-420 до н.э.)

Хотя большинство античных философов пытались понять формирование планет в пределах нашей собственной системы, считая, что она является единственной и уникальной во Вселенной, среди них были и те, кто рассматривал возможность бесконечного числа миров, не похожих друг на друга.

В некоторых мирах нет ни Солнца, ни Луны, в других они больше, чем в нашем мире, а в других их большее количество. В некоторых местах есть большее количество миров, а других меньшее количество, (:), в некоторых частях они возникают, в других нет. Есть миры без животных и растений и без воды.
Демокрит (~460 - 370 до н.э.)

Есть бесчисленные миры, и подобные нашему, и отличные от него. Если число атомов бесконечно, как было уже доказано, (...), то не существует никаких препятствий тому, что и число миров бесконечно.
Эпикур (341-270 до н.э.)

К несчастью, идеи атомистов значительно опередили свое время. Работа авторитетного греческого ученого Аристотеля затмила их рассуждения. Аристотель утверждал геоцентричность Вселенной, то, что Земля является центром, единственным миром с жизнью - в противоположность небесной "хрустальной" сфере с отверстиями-звездами в ней.

Число миров не может быть больше, чем один.
Аристотель (384-322 до н.э.)

Идеи Аристотеля совместно с геоцентрической системой Птолемея были приняты христианскими схоластами как истина, подобная Священному писанию. Более тысячи лет сама мысль о существовании других планетных систем считалась невозможной и "греховной". Тех же взглядов держался и мусульманский мир в странах Востока.

ВОЗРОЖДЕНИЕ. РОЖДЕНИЕ ЕВРОПЕЙСКОЙ НАУКИ

Первым, кто выступил против незыблемости теории геоцентризма, был Николай Коперник. В 1543 году он опубликовал свою главную работу "Об обращении небесных сфер". Коперник считал, что из отсутствия видимых параллаксов у звезд следует, что звезды очень далеки, значительно дальше планет, обращающихся вокруг Солнца, но и он считал их частью небесной сферы.
Его современник Джордано Бруно пошел дальше.

Джордано Бруно (1548-1600)

Вселенная бесконечна: У нее нет и не может быть единого центра. Звезды - это другие солнца, отнесенные от нас на огромные и при этом разные расстояния. В небе - бесчисленные звезды, созвездия, солнца и земли, чувственно воспринимаемые; разумом мы заключаем о бесконечном числе других. Следовательно, кроме видимых небесных светил есть еще много космических объектов, неизвестных нам. Вокруг других звезд-солнц тоже вращаются планетные системы, подобные нашей. Планеты в отличие от звезд светят не своим, а отраженным светом. Солнце, как и планеты, вращается вокруг оси - всеобщее движение есть закон Вселенной. В Солнечной системе помимо шести известных планет есть еще планеты, невидимые глазом в силу их удаленности от нас. Миры - планеты и солнца - находятся в вечном изменении и развитии, рождаются и умирают. Меняется и поверхность Земли - за большие промежутки "моря" превращаются в континенты, а континенты - в "моря". Наконец, жизнь есть не только на Земле, она распространена во Вселенной, формы ее бесконечно разнообразны, так же многообразны условия на разных планетах. Жизнь во Вселенной неизбежно порождает и разум, причем разумные существа других планет совсем не должны походить на людей - ведь Вселенная бесконечна, и в ней есть место для всех форм бытия.

Джордано окончил жизнь в пламени костра на площади Цветов в Риме в 1600 году. И сейчас, спустя четыре сотни лет, человечество наблюдениями подтверждает истинность его утверждений, выведенных одной силой мысли.

КЛАССИЧЕСКАЯ АСТРОНОМИЯ В 17-18 ВЕКЕ

Телескоп Галилея (1564-1642) показал иллюзорность понятия "хрустальной небесной сферы": яркие звезды теряли кажущиеся размеры и становились точками. Дальнейшее совершенствование оптической техники и появление рефлекторов в 17-18 веках позволило обнаружить в Солнечной системе значительное число спутников и одну новую планету - Уран. Гершель (1750-1822) не только открыл Уран, но и, исследуя видимые двойные звезды, доказал в 1803 году, что несколько десятков из них являются физически двойными. В 1846 году теоретическое предсказание планеты Нептун стало триумфом закона Всемирного тяготения Ньютона.
Уже тогда некоторые астрономы, в их числе Христиан Гюйгенс, пытались обнаружить внесолнечные планеты в телескоп!
Важным достижением стало обнаружение Галлеем в 1718 г собственных движений звезд. Хотя первый каталог звезд составил еще Гиппарх, лишь Эдмунд Галлей первый обнаружил значительные расхождения между координатами ярких звезд в древних и текущих каталогах. Это говорило как о движении самих звезд, так и о движение Солнечной системы в пространстве. Уже в 1783 году тот же Гершель определил по собственным движениям 13 звезд апекс (точку направления движения) Солнечной системы - созвездие Геркулеса. Повышение точности измерений координат позволило решить один из самых главных вопросов в астрономии - определить расстояние до звезд. Еще Гершель полагал, что абсолютная яркость звезд одинакова и равна солнечной, и их видимая яркость зависит напрямую от расстояния, то есть Сириус - самая близкая к Солнечной системе звезда. В 1837 Струве определил расстояние для Веги, в 1838 Бессель - для 61 Лебедь, и, наконец, Гендерсон - для альфы Центавра. Как и предполагали к тому времени, расстояние даже до ближайших звезд измерялось несколькими световыми годами. В 1844 году Бессель, построив траектории движения ярких звезд Сириуса и Проциона, обнаружил, что они являются не прямыми, а волнистыми линиями, и предсказал существование у них невидимых спутников. Открытые у Сириуса (Кларком в 1862) и у Проциона (в 1896) слабые звезды-спутники оказались первыми представителями нового класса звезд - белых карликов, выгоревших "остатков" нормальных звезд.

ПОЯВЛЕНИЕ АСТРОФИЗИКИ

На смену традиционным методам исследования в 19 веке пришла астрофизика. Еще в конце 17 века Ньютон, разложив солнечный луч призмой, получил спектр и открыл инфракрасные лучи. Создав первый спектроскоп, Ньютон изучил спектр Солнца, пламени свечи и Сириуса (найдя его похожим на солнечный спектр).
Его идеи значительно опередили свое время. Лишь в 1802 году английский физик Волластон (1766-1828), открывший годом ранее ультрафиолетовые лучи, обнаружил в солнечном спектре узкие темные линии. Однако Волластон не обратил на это внимание. В 1814 году немецкий физик Йозеф Фраунберг (1787-1826) интерпретировал линии, как следствие поглощения лучей газами солнечной атмосферы. В середине 19 века, соотнеся полосы со спектрами известных элементов, удалось достаточно точно определить химический состав Солнца, а элемент гелий в солнечном спектре (1868) обнаружили гораздо раньше, чем на Земле (1895).
После Солнца спектроскопия была применена к звездам. В 1863-1868 году Анджело Секки (1818-1878), изучив спектры 4 тысяч звезд, разделил их на 4 класса. Эта классификация стала основной вплоть до Гарвардской, созданной в начале 20 века.
В 1842 году Доплер теоретически обосновал эффект, позднее названым его именем: частота звуковых и световых колебаний, воспринимаемых наблюдателем, зависит от скорости приближения или удаления их источника. В 1868 году Хеггинс, применив этот метод, измерил лучевую скорость Сириуса. Она оказалась близкой к 8 км в секунду по направлению к Солнцу. Это позволило, совмещая данные о собственных и лучевых скоростях звезд, определять полные вектора пространственной скорости звезд.
Используя доплеровский метод, удалось сделать ряд значительных открытий.
В 1889 году Пикеринг (1846-1919) обнаружил периодическое раздвоение линий в спектре Мицара. Он правильно интерпретировал это явление как очень тесную пару звезд, не различимую в телескоп. Измеряя лучевые скорости звезд-компаньонов, стало возможным определить и период вращения пары, и большую полуось. А Белопольский (1854-1934) применил метод для измерения скорости вращения планет Солнечной системы.
Изобретение фотографии Дагером в 1839 году и применение ее для астрономии, значительно улучшило чувствительность астрометрических и спектроскопических методов. К концу 19 века фотография почти полностью вытеснила человеческий глаз.
Неоценим вклад фотографии в области изучения переменных звезд. Переменность некоторых звезд была замечена еще в древности. Телескопические наблюдения сначала не внесли заметного вклада в их изучение. И лишь точно измеряя фотометрическую яркость звезд специальными приборами - фотометрами, стало возможным многократно увеличить число известных переменных звезд.

ФИЗИКА ОБГОНЯЕТ АСТРОНОМОВ

В первой половине 20 века, используя ядерную физику и квантовую механику, ученым удалось объяснить механизм свечения звезд, а затем описать их эволюцию. Значительно увеличив собирающие площади телескопов (диаметр главных зеркал возрос с 1 до 6 метров) удалось достигнуть пределов наблюдаемой Вселенной. В середине века астрономия становится всеволновой; появляются радиотелескопы и космические обсерватории. Именно в это время были открыты пульсары, квазары, реликтовое излучение, гамма-всплески, удалось найти доказательства существования черных дыр.
Выход человечества в космическое пространство позволил приступить к детальному изучению Солнечной системы.

Запуск АМС "Вояджер-2", исследовавшей сразу все газовые планеты в Солнечной системе, две - впервые.

Еще в конце 18 века Кант и Лаплас пришли к выводу, что планеты образовались из горячей газовой туманности. В 20-годы 20 века Джеймс Джинс выдвинул гипотезу об образовании планет из вещества Солнца, выброшенного из-за близкого прохождения другой звезды. И, наконец, в 40-х годах Отто Шмидт выдвинул гипотезу, ставшую общепризнанной: об образование Земли и других планет из холодных твердых допланетных тел - планетезималей в процессе холодной аккреции.
В 1983 году была запущенна инфракрасная обсерватория IRAS. С ее помощью было обнаружено значительное количество очень молодых звезд, окруженных густыми газопылевыми оболочками. Кроме того, многие известные звезды, такие как Вега или бета Живописца, оказались яркими инфракрасными источниками. Это привело к выводу, что вокруг этих звезд существуют газопылевые протопланетные диски.

ПЕРВЫЕ ОТКРЫТИЯ ВНЕСОЛНЕЧНЫХ ПЛАНЕТ

В восьмидесятых годах прошлого века была совершена первая серьезная попытка поиска планет у одной из ближайших звезд - Летящей звезды Барнарда. Эта звезда, открытая в 1916 году американским астрономом Барнардом, обладает самым большим собственным движением (более 10 угловых секунд в год) и является второй по близости к Солнечной системе после системы альфы Центавра. Она идеально подходила для поиска планет астрометрическим способом. Анализируя фотопластинки, сделанные с 1938 года по 1962 год, Питер Ван де Камп объявил о существовании планеты, в 1,6 раза тяжелее Юпитера с периодом обращения в 24 года. Затем, расширив диапазон изученных архивных фотоснимков до 1916 года, он заявил о двух планетах с массой порядка массы Юпитера. Однако уже в 1973 году другие астрономы усомнились в этом, не обнаружив никаких колебаний в траектории звезды. Оппоненты Ван де Кампа интерпретировали колебания на фотоснимках как искажения, вызванные модернизацией телескопа. Ван де Камп до самой смерти в 1995 году был уверен в своей правоте, он посвятил звезде Барнарда более 40 лет своей жизни и изучил несколько десятков тысяч снимков с ее изображением. В 1995 году Гатевуд установил, что вокруг звезды нет планет тяжелее 10 масс Юпитера. Позднее космический телескоп имени Хаббла провел очень точные (до 0,001 угловой секунды) астрометрические измерения звезды Барнарда и Проксимы Центавры, не выявив никаких колебаний. Тогда и стало ясно, что наземные и неспециализированные космические обсерватории не способны обнаружить этим способом планеты даже около ближайших звезд.

Радиотелескоп в Аресибо (Пуэрто-Рико), расположенный в кратере потухшего вулкана

Открытия экзопланет в начале 90-х годов пришли совсем с неожиданной стороны. Еще в начале 60-х, после появления первых мощных радиотелескопов, были обнаружены высокочастотные точечные источники радиоизлучения. Их назвали пульсары. Довольно быстро пульсары отождествили с нейтронными звездами. Испускающие мощные потоки релятивистских частиц и жесткого излучения, они являются одним из самых неблагоприятных мест для жизни в нашей Галактике. Однако у пульсаров имеется одно уникальное свойство. Они обладают необычайно стабильной частотой импульсов. Измеряя очень малые периодические изменения частоты импульсов в течение несколько месяцев или лет, можно так точно измерить лучевую скорость пульсара, что реально зафиксировать колебания, вызванные влиянием на пульсар объектов с массой, даже меньшей, чем масса Луны! В 1991 году американский астроном Александр Вольжан, анализируя несколько месяцев измерения периодичности пульсара PSR 1257+12 на радиотелескопе в Аресибо, пришел к выводу, что он окружен как минимум тремя планетами с массами в несколько масс Земли, и большими полуосями до 1 астрономической единицы. Очень точно измерив параметры системы, радиоастрономы впервые зафиксировали резонансные явления, наблюдаемые до этого только в Солнечной системе. В начале 2005 года было объявлено об открытие четвертого компонента этой системы, находящегося на орбите с большой полуосью до 4 а.е. и массой менее массы Цереры. Планетные системы пульсаров являются, по-видимому, очень редким явлением: кроме системы пульсара PSR 1257+12, был обнаружен только один газовый гигант у PSR B1620-26 b, называемый еще Мафусаилом. Большая полуось его орбиты составляет 23 а.е.(примерно соответствует орбите Урана в Солнечной системе).

ТРИУМФ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА

Еще в 1952 году Отто Струве опубликовал работу, в которой он обратил внимание на преимущества поиска планет у звезд с помощью спектроскопии, а также на возможность независимого подтверждения планеты, если она проходит между звездой и наблюдателем, путем точного измерения яркости звезды.
Однако понадобилось еще несколько десятилетий, что бы его идеи были реализованы на практике. В 1987 году американские астрономы Джоф Марси и Поль Батлер в Ликской обсерватории начали многолетние наблюдения 120 близких звезд типа Солнца или более холодных. Постепенно точность измерений ими лучевых скоростей достигла 3-4 метров в секунду. Но они изначально совершили крупную ошибку: считая, что орбиты экзопланет должны быть похожи на орбиты планет Солнечной Системы, они отбрасывали возможные периоды колебаний менее, чем один месяц, как шумы или ошибку, ожидая периоды около 10 лет. В середине 90-х годов американские исследователи расширили выборку звезд до 1330.
Значительно позже, с1993 года, к исследованиям подключились европейцы. Мишель Майор и Дидье Келос из Женевы на 1,93 метровом телескопе Обсерватории Верхнего Прованса (Франция) решили измерить лучевые скорости около сотни звезд до 8 звездной величины с точностью до 15 метров в секунду. Начав в сентябре 1994 года наблюдения звезды 51 Peg, они обнаружили колебания почти в 60 метров в секунду с очень коротким периодом - всего 4 дня! 6 октября 1995 астрономы объявили о своем открытии, после чего несколько недель продолжались ожесточенные дискуссии о реальности такого типа объектов. Дж. Марси и П. Батлер подтвердили это открытие, обнаружив те же самые колебания в своих наблюдениях. Для них лично это было тяжелым разочарованием, так как они обнаружили свою первую планету лишь 30 декабря 1995 года. Уже первые три открытых газовых гиганта ошеломили теоретиков. Так, рядом со звездой 51 Peg была обнаружена планета с минимальным расстоянием