Как “разглядеть” экзопланету на ярком фоне звезды: секрет Доплера
Солнце примерно в 109 раз больше Земли по линейным размерам и практически в 1,3 миллиона раз — по объему. Если представители развитой внеземной цивилизации, живущей за сотни световых лет от нас, направят мощные телескопы на Солнечную систему, наша звезда покажется им всего лишь точкой на небосклоне. Могут ли теоретические обитатели других миров разглядеть на фоне этой точки другую, в сто раз меньшую? Вряд ли. Но обнаружить Землю из космоса и другие экзопланеты с Земли можно благодаря эффекту Доплера, как бы он ни назывался в другом обитаемом мире.
Явление, носящее имя великого земного физика, заключается в изменении длины волны света за счет движения наблюдаемого объекта. Когда звезда удаляется от нас, ее свет кажется более «красным». Если же объект приближается, излучение смещается в синюю область. Почему так происходит? Вспомним разложение белого света в цветной спектр. Впервые превращение солнечного луча в радугу осуществил с помощью стеклянной призмы Исаак Ньютон. Ученый заметил, что цвета от красного до фиолетового отличаются друг от друга длиной волны. Самые длинные волны у красного цвета, короткие — у фиолетового.
Представим электромагнитную волну, которая движется от космического объекта к Земле, в виде плоской синусоидальной пружины конечной длины. Если бы один конец невероятно длинной пружины был крепко припаян к Земле, а другой — к далекой звезде, то по мере удаления звезды от нас пружина бы растянулась, формируя более длинные волны. Наоборот, если бы звезда приближалась, пружина постепенно сжималась бы, а «волны» укорачивались. Как же информация об изменении расстояния между Землей и далекими звездами помогает обнаруживать новые экзопланеты, и причем тут спектрограф — прибор, раскладывающий свет от звезд в спектр, подобно стеклянной призме Ньютона?
Звезды излучают электромагнитные волны всех длин. Часть из них, проходя через более холодную атмосферу звезды, поглощается. В сплошном градиенте спектра излучения появляются «проплешины» — черные линии, соответствующие «съеденным» длинам волн. По этим пробелам в спектре излучения звезды астрономы определяют элементный состав ее атмосферы, ведь конкретные вещества поглощают определенные лучи. Пустоты в спектре называются линиями Фраунгофера. Анализируя их смещение, ученые и подтверждают факт наличия планет, вращающихся вокруг звезды.
Смещение линий Фраунгофера в спектре излучения звезд происходит из-за эффекта Доплера, причем группа линий сдвигается по очереди то в красную область, то в фиолетовую. Звезда то отдаляется от нас на небольшое расстояние, то приближается снова. Подобная «неуравновешенность» или покачивание объясняются только наличием рядом планеты.
Строго говоря, планета не вращается вокруг покоящейся звезды. Они вращаются вместе вокруг общего центра масс. Эта точка названа так, потому что ее положение зависит от масс гравитационно взаимодействующих объектов. Чем «жирнее» тело, тем ближе к нему центр масс, а значит, меньше орбита вращения вокруг него. Со стороны подобное вращение выглядит как покачивание. Действительно, звезда меняет положение всего-то на десятки метров в секунду. Что эти метры для тела диаметром в миллион километров? Но даже этого движения достаточно, чтобы линии Фраунгофера «заёрзали» на спектре излучения звезды. В этом и состоит метод Доплера или, как его еще называют, метод лучевых скоростей, используемый для открытия новых экзопланет.
В 2016 году с помощью метода Доплера была обнаружена планета Проксима Центравра b, вращающаяся вокруг ближайшей к Солнцу звезды — Проксимы Центавра, расположенной в 4,2 световых годах от нас — по космическим меркам, в соседнем «селе». Женевские астрономы использовали данные спектрографа HARPS, который позволяет фиксировать покачивание звезды с точностью до метра в секунду. Увидеть 1 метр на расстоянии почти 40 триллионов километров — это круто. Но, видимо, недостаточно, чтобы быть уверенными в существовании потенциально обитаемой планеты. Поэтому ученые создали еще более точный прибор.
Точность спектрографа ESPRESSO, также сконструированного в Швейцарии, но в 2017 году, в 3 раза превзошла точность HARPS и составила около 30 сантиметров в секунду. Данные ESPRESSO подтвердили существование планеты Проксима Центавра b, массой в 1,17 массы Земли с периодом обращения вокруг звезды в 11,2 дня. Об открытии или, лучше сказать, подтверждении открытия четырехлетней давности, обрадованные астрономы сообщили в журнал Astronomy & Astrophysics.
Читателей статьи ждет сюрприз, ведь точность ESPRESSO позволила получить данные, намекающие на существование еще одной планеты. Причина второго сигнала пока не установлена. Если выяснится, что он планетарного происхождения, Проксима Центавра сможет претендовать на должность «президента» собственной звездной системы из пока двух открытых планет. Масса предполагаемой спутницы должна составлять менее трети массы Земли. Это была бы самая маленькая планета, когда-либо открытая с помощью метода лучевых скоростей.
Возможна ли жизнь на Проксиме b и возможно существующей второй планете поблизости? Проксима b примерно в 20 раз ближе к своей звезде, чем Земля к Солнцу, но получает сопоставимую энергию. Температура ее поверхности предполагает наличие жидкой воды и, в теории, некоторых форм жизни. С другой стороны, Проксима — активный красный карлик, который бомбардирует свою планету рентгеновскими лучами. Фонить на Проксиме b должно примерно в 400 раз больше, чем на Земле. Спасти потенциальную жизнь может только планетарная атмосфера, в которой неплохо было бы найти немного кислорода. Да помогут ученым линии Фраунгофера! На этот раз нужно лишь увидеть спектр от самой экзопланеты, а не от ее звезды-мамки. Для этого специалисты Европейской южной обсерватории (ESO) в Чили строят спектрометры RISTRETTO и HIRES, которые будет установлены на будущий гигантский телескоп ELT диаметром 39 метров. Что ж, с нетерпением ждем результатов.
