В ясную погоду зимними вечерами можно заметить в небе небольшое звёздное скопление Плеяд, расположенное у границы созвездия Тельца, над Альдебараном. Это, наверное, самое знаменитое звёздное скопление, известное многим древним культурам. Греки назвали его по имени семи сестёр — дочерей Плейоны и титана Атласа, помещённых Зевсом на небо, чтобы спасти от гнева отца. Славянам оно было известно как Стожары, а астрономы называют объект М45 (читается «Месье 45», по имени французского астронома XVIII века, занёсшего Плеяды в свой каталог под 45-м номером).
За годы и века, что человек смотрит на эти звёзды, очертания «маленького ковшика», казалось бы, совсем не изменились. Однако теперь появилась веская причина снова поднять глаза к небу: где-то на краю скопления находится звёзда HD 23514, у которой должны быть похожие на Землю планеты. Возможно, они уже сформировались, возможно, только-только слипаются из планетных «эмбрионов» в единые тела. Одно известно точно: эти не то планеты, не то их эмбрионы, как и Земля, состоят из камня.
И совсем недавно два таких тела столкнулись, рассеяв по всей звёздной системе огромное количество пыли.
На самом деле, увидеть сегодня вечером HD 23514 невооружённым взглядом не получится: это звёздочка примерно 9–10-й звёздной величины, и понадобится телескоп или хороший бинокль, чтобы отыскать её среди почти полутора тысяч звёзд Плеяд («Семь сестёр» — это только самые яркие из них.) А астрономам Джозефу Ри, Инсок Сону и Бенджамину Зукерману из Калифорнийского университета, Калтеха и Института астробиологии NASA, чтобы найти следы присутствия пыли, потребовались гораздо более мощные инструменты — космический телескоп Spitzer, работающий в инфракрасной области спектра, и один из телескопов-близнецов Gemini с диаметром зеркала 8 метров, расположенный на Гавайях.
В HD 23514 учёных привлекло то обстоятельство, что эта близкая звезда подозрительно много излучает в инфракрасной области спектра. Как правило, это свидетельствует о наличии большого числа пыли вблизи звезды. Космические пылинки перехватывают часть излучения звезды, нагреваются и начинают светиться в инфракрасном диапазоне. Такое излучение человек чувствует как тепло — например, тепло от печки или батареи, если между нагретым объектом и кожей нет прямого контакта. Доля излучения, которую может перехватить пыль, может доходить почти до 100%; в таких случаях самой звезды мы не видим, однако инфракрасные телескопы показывают ярко светящийся объект.
Распределение энергии в наблюдаемом спектре HD23514 явно имеет несколько компонент. Спектр самой звезды показан сплошной коричневой линией. Видно, что инфракрасной области – для длин волн больше нескольких микрон – к этому спектру примешивается излучение нагретой до температуры около 700K пыли. Зелёные точки очерчивают спектральную черту, характерную для нагретых пылинок, состоящих из соединений кремния. Следов очень горячей пыли нет.
Спектры получены с использованием телескопов Gemini-North и Spitzer. Некоторые точки нанесены по данным других телескопов, в том числе космической обсерватории IRAS, сделавшей в 1980-х годах полный обзор неба в инфракрасных лучах.
Из работы Джозефа Ри, Инсок Сона и Бенджамина Зукермана.
Звезда HD 23514 испускает почти в три раза больше света, чем Солнце, и немного горячее нашей звезды. Однако почти 2% излучения здесь приходят именно в форме инфракрасных волн — это в тысячи раз больше, чем у Солнца. Такая яркая светимость в инфракрасном диапазоне характерна, скорее, для очень молодых, недавно сформировавшихся звёзд: без пыли в наше время звёзды просто не могут родиться. Но HD 23514 — звезда хотя и не пожилая, но и не совсем юная. Ей около 100 миллионов лет, как и большинству звёзд Плеяд. За такое время вся та пыль, что присутствовала при рождении, уже давно была бы выметена из системы излучением HD 23514: поглощая свет, пылинки перехватывают не только его энергию, но и импульс, а 2% импульса всего того света, что излучает звезда, — это очень много.
Следовательно, пыль появилась совсем недавно, заключают учёные. И взяться ей неоткуда, кроме как от столкновения двух крупных тел, похожих на Землю. Сильнее всего пыль излучает в линии кремния, а это основной строительный материал планет земной группы; планеты-гиганты состоят в основном из лёгких газов — водорода и гелия, а карликовые планеты на окраинах Солнечной системы вроде Плутона и Седны — это, по-видимому, огромные глыбы замёрзших углеводородов.
В настоящее время опубликованы данные о шести звёздах главной последовательности, у которых найдены большие количества пыли в зоне, где возможно формирование землеподобных планет. «Звезда главной последовательности» в данном случае означает, что она не слишком молода, а значит пыль, которую мы видим – это не та же пыль, которая помогла звезде появиться на свет. Эта пыль появилась, скорее всего, при столкновении «планетных эмбрионов».
Помимо HD23514, самая известная из них – BD +20 307, открытая той же командой в 2005 году. Эта звезда ещё больше походит на Солнце, будучи всё же чуть горячее его. Здесь в инфракрасной области переизлучается 4% света звезды, температура пыли – 650K, возраст звезды – 400 миллионов лет.
Кроме того, пыль найдена у звезды «гамма» Зайца – горячей белой звезды спектрального класса A3 возрастом 300 миллионов лет. 300 миллионов лет для таких звёзд – это уже старость. Температура пыли здесь – лишь 190K, она переизлучает лишь 0,0065% света звезды, но также расположена в подходящем месте.
Звёзды HD72905, HD 69830 и «эта» Ворона имеют возраст от 400 миллионов до 2 миллиардов лет, часть из них – чуть больше, часть – чуть меньше Солнца, а пыль переизлучает от 0,01% до 0,05% света звезды.
Исходя из доли излучения, перехваченного пылью, и вида её спектра учёные оценили полную массу пыли — около 100 триллионов мегатонн; это примерно масса Луны. Смущать такое большое значение не должно — по мнению многих астрономов, и сама Луна появилась похожим образом, когда молодая Земля столкнулась с телом, похожим на Марс. Пыль и осколки, оставшиеся на орбите вокруг нашей планеты, со временем собрались в один большой спутник, который сейчас всё время обращён к Земле одной и той же своей стороной.
По подсчётам астрономов, прожить на орбите вокруг HD23514 такое количество пыли может лишь около 250 тысяч лет. За это время самые мелкие пылинки будут выметены излучениям, а те, что покрупнее, упадут на звезду. Например, время жизни пылинок размером 1 микрон — всего около 50 лет. Фрагменты покрупнее дробятся на более мелкие части, что требует времени. Следовательно, катастрофическое событие, породившее столько пыли, произошло почти в историческое время, когда Землю уже населяли люди или их ближайшие родственники и предки. Не исключено, конечно, что пыль появилась не одномоментно, а в результате многих менее масштабных столкновений. В этом случае последнее событие могло произойти и совсем недавно. Впрочем, не позже конца XX века: именно тогда на орбите находился космический телескоп IRAS, данные с которого и помогли идентифицировать HD 23514 как источник инфракрасного излучения.
Обнаружение следов твёрдых планет у относительно молодой звезды, расположенных на тех же расстояниях от своей звезды, что планеты земной группы от Солнца, заставляет сделать ещё одно естественное предположение.
Планетные системы, подобные нашей, — скорее правило, чем исключение.
Астрономам известны пять основных методов обнаружения внесолнечных планет.
Во-первых, это метод прямых наблюдений - мы можем элементарно увидеть планету рядом с другой звездой, подобно тому, как видим планеты нашей звёздной системы. Впрочем, хотя сфотографировать гигантскую планету у другой звезды таким способом однажды удалось, обнаружена она была другим способом. Тем не менее, развитие телескопов позволяет надеяться, что скоро метод прямых наблюдений станет именно методом обнаружения.
Во-вторых, это доплеровский метод: измеряя смещение линий различных элементов в спектре звезды, астрономы могут заметить периодические изменения её скорости, связанные с обращением светила вокруг центра масс системы звезда-планета. Этот метод особо чувствителен к массивным планетам, расположенным рядом со своими светилами. При этом желательно видеть орбиту системы «с ребра» - в противном случае никаких изменений скорости не будет. Этим методом были открыты большинство внесолнечных планет. Его небольшая модификация - измерение моментов прихода импульсов от пульсаров - работает для этого типа небесных объектов.
Третий метод - астрометрический: астрономы измеряют смещение положения звезды, также вызванное её обращением вокруг общего с планетой центра масс. Выглядит такое смещение, как «виляние» звезды в стороны от средней траектории её перемещения по небу относительно более далёких звёзд. Этот метод также чувствителен к массивным спутникам звезды, однако расположенным, напротив, на относительно большом от неё расстоянии. Кроме того, он работает лишь для близких звёзд. Пока таким методом открывались лишь спутники-звёзды, планеты слишком маломассивны, чтобы вызвать заметное смещение.
Четвёртый метод, активно развивающийся в настоящее время - метод транзитов. Астрономы следят за блеском большого количества звёзд. Если плоскость орбиты планеты пересекает диск звезды, будут происходить регулярные «частные затмения» или прохождения планеты по диску звезды. Хотя заметить крохотный диск планеты на неразличимом в телескоп диске звезды нельзя, блеск звезды чуть ослабнет. Этот метод чувствителен к крупным спутникам, однако требует, чтобы мы смотрели на систему «с ребра»: в противном случае затмений не будет. Данным методом большинство внесолнечных планет открывается в настоящее время.
Пятый метод - гравитационное линзирование. Если звезда с планетой проходит перед какой-то далёкой звездой, блеск последней будет увеличиваться за счёт эффекта гравитационного линзирования. Наличие планеты чётко отметится на кривой блеска в виде дополнительного пика. Так были открыты несколько планет массой, близкой к массе Земли. Кроме того, возможны различные вариации этого метода - например, можно наоборот, искать планету у звезды-источника с помощью расположенной на луче зрения звезды-линзы. Недостаток этого метода - единичность каждого события. Поймав одно событие гравитационного линзирования, от данной звезды-линзы, следующего события нужно ждать очень долго.
Возможно, уже сформировавшаяся планета есть и у HD 23514. Астрономы заметили, что в спектре звезды нет следов наличия очень горячей пыли, расположенной ещё ближе к звезде. Поскольку пыль должна постепенно оседать на неё, самое простое объяснение здесь — наличие вблизи звезды относительно крупной планеты, перехватывающей пыль. Такие тела образуют характерные прогалы в пылевых дисках, собирая на себя всё вещество в пределах досягаемости. Правда, на этой планете жизни в нашем понимании никак не может быть: температуры на ней не могут быть ниже примерно тысячи градусов, да и звезда слишком молода, чтобы на её планетах успело развиться что-нибудь высокоорганизованное.
Возможно, что-то более интересное есть у ещё одной звезды — двойной системы из каталога космического аппарата Tycho, у которой учёные также нашли сильный избыток инфракрасного излучения. Имя её они пока не называют, но обещают представить статью с результатами нового исследования в ближайшее время. С результатами нынешнего можно будет ознакомиться на страницах Astrophysical Journal или уже сейчас — в виде препринта.
