Краткая история открытий планет Солнечной системы. Научно-популярная статья

На заре цивилизации среди множества звезд на небе люди выделили группу примечательных объектов, получивших громкое название «планеты», что буквально означает «блуждающие светила». И, как это было принято в те далекие времена, каждую планету отождествляли с каким-нибудь из богов национального пантеона (например, кроваво-красная планета у вавилонян носила название бога смерти Нергала, у греков и римлян — бога войны — Ареса и Марса соответственно). Кстати, к числу планет в древности причисляли также Луну и Солнце. Они ведь тоже «блуждали» вокруг неподвижного центра Вселенной — Земли, в отличие от остальных звезд «намертво прибитых» к «хрустальному небосводу».

Семь кружащихся планет в порядке удаления от земной тверди: Луна, Меркурий, Венера, Солнце, Марс, Юпитер и Сатурн — уже немалые знания для младенчества науки. Построенная хитроумными эллинами модель мироздания для своего времени объясняла почти все, особенно с эпициклами Клавдия Птолемея. Поэтому гелиоцентрическая система в качестве истины просуществовала так долго — почти девятнадцать веков. Пока Николай Коперник не придумал более простое объяснение наблюдаемых явлений и не построил гелиоцентрическую систему мира, которую мы, неблагодарные, сейчас считаем элементарной тривиальностью. И это придумано за целых полстолетия до изобретения первого телескопа!

Но вот, вооружившись новым оптическим оружием — телескопом, астрономы собственными глазами удостоверились в том, что планеты — огромные тела действительно похожие на Землю, а не какие-то там блуждающие огоньки или плоские блестящие диски, задача которых сводилась к украшению нашего неба. Представляете, какое чувство охватило Галилео Галилея, первого из людей разглядевшего на Луне горы? Или фазы Венеры? А свита спутников Юпитера — напоминающая в миниатюре солнечную систему? Людям средневековья в такие «чудеса» было поверить не легче, чем в то, что наша планета вертится.

Шло время. Место веры потихоньку, но прочно, занимала повзрослевшая наука. В 1781 году Вильям Гершель открывает седьмую планету — Уран. Спустя шестьдесят пять лет, в 1846 году Й. Галле находит Нептун как раз там, где после долгих расчетов В. Леверье и Дж. Адамса должна была находиться восьмая планета Солнечной системы исходя из возмущений орбиты Урана. Эта триумфальная победа Астрономии имела большое значение для всего естествознания и показала огромную предсказательную силу знания в отношении к далеким мирам.

Таким же способом в 1930 году Клайдом Томбо был открыт Плутон. Правда в 2006 году его низвели в ранге до класса малых планет, к которому отнесли и другие довольно крупные объекты пояса Койпера, такие как Куаоар, Седна, Эрида и другие, что никак не умаляет значение этого открытия.

В конце ХХ – начале ХХI столетия астрономия начала особенно бурно развиваться. Мощные телескопы и, особенно, автоматические зонды, раскрыли перед изумленными жителями земли все новые и новые подробности из «жизни» планет, их спутников, и ряда других тел Солнечной системы. Множество удивительных открытий ждало и еще ждет в будущем человечество, исследующее «родную» планетную семью. Однако этого для истинных служителей науки всегда было мало, и как только появились подходящие технические средства, ученые начали новую захватывающую «охоту» за планетами иных звезд, наличие которых предрекалось давно. Так начался поиск внесолнечных или экзопланет и наступила новая эпоха в развитии планетарной астрономии. Но это уже совсем иная история…

Начало открытий экзопланетных систем

Первые попытки найти планеты, около иных светил, были связаны с наблюдениями за положением близких звезд. Еще в 1916 году Эдуард Бернард обнаружил красную звездочку, которая «быстро» смещалась по небу относительно других звезд. Астрономы окрестили ее Летящей звездой Барнарда. Она одна из ближайших к нам звезд и по массе в семь раз меньше Солнца. Исходя из этого, влияние на нее планет, если они есть, должно было быть заметным. В начале 60-х годов ХХ века Питер Ван де Камп объявил, что открыл у нее спутник массой с Юпитер. Однако Дж. Гейтвуд в 1973 году выяснил, что звезда Барнарда движется без колебаний и, значит, массивных планет не имеет.

В конце 80-х годов ХХ столетия многие группы астрономов начали систематическое измерение скоростей ближайших к Солнцу звезд, ведя специальный поиск экзопланет с помощью высокоточных спектрометров.

И, что удивительно, первые планеты были открыты не у звезд главной последовательности, а у пульсаров! Дело в том, что радиопульсары — чрезвычайно стабильные источники и ученые могут выявить их движение со скоростями порядка 1 см/с, а, значить, обнаружить рядом планеты, массами намного меньше Юпитера.

Первое подтвердившееся открытие внесолнечных планет сделал Александр Вольшчан в 1991 году около радиопульсара PSR 1257+12 с помощью 305-метровой антенны телескопа в Аресибо. Правда, потом эти экзопланеты были признаны вторичными, так как «первородные» вряд ли могут пережить катастрофическое сбрасывание оболочки родительской звезды.

«Настоящая» экзопланета была впервые обнаружена в 1995 году. Это сделали астрономы Мишель Майор и Дидье Квелон. Они построили спектрометр, способный измерять доплеровское смещение линий с точностью до 13 м/с. В 1994 году ученые приступили к регулярному измерению лучевых скоростей у 142 ближайших солнцеподобных звезд и довольно быстро обнаружили покачивание звезды 51 Пегаса с периодом 4,23 сутки под влиянием планеты близкой по массе к Юпитеру.

С тех пор с каждым годом количество открытых экзопланет и экзопланетных систем возрастает все больше и больше, что однозначно свидетельствует о значительном распространении подобных объектов. Солнечная система перестала быть единственной в своем роде, хотя, как показывают наблюдения, многие уникальные черты ей все же характерны. Наконец астрономы получили твердые доказательства гениальных догадок Дж. Бруно и других ученых мужей прошлого о наличии во Вселенной множества миров подобных, или не очень, нашему!

Открытым экзопланетам в настоящее время присваиваются названия, состоящие из названия звезды, около которой обращается планета, и дополнительной строчной буквы латинского алфавита, начиная с буквы «b» (например, 51 Peg b, HD 189733 b). Следующей планете присваивается буква «с», потом буква «d» и так далее по алфавиту. При этом буква «а» не используется потому, что такое название подразумевало бы собственно саму звезду. Кроме того, планеты называются в порядке их открытия, а не по мере удаления от звезды обращения. Поэтому планета «с» может быть ближе к звезде, чем планета «b». Вот такая интересная номенклатура, которая наверняка вызовет путаницу, когда наступит время звездных экспедиций, если еще не раньше. Многие внесолнечные планеты имеют еще и неофициальные «прозвища» (например, HD 2094586 — «Осирис», 51 Peg b — «Беллерофонт»). Но в научном обществе присвоение официальных личных имен экзопланетам считается непрактичным.

Проблемные вопросы теории образования планетных систем

Очень низкие орбиты «горячих юпитеров» стали вызовом теориям образования планет во многих вопросах. Прежде всего, потому, что образование планет-гигантов в Солнечной системе считалось возможным только вдали от Солнца, там, где происходила конденсация воды и других летучих веществ с образованием льда. Поэтому, свойства первой открытой экзопланеты — 51 Peg b — сначала считали скорее исключением из правил. Однако дальнейшие открытия подобных экзопланет и их систем подтвердили явление и показали его широкую распространенность. Так что теперь астрономам есть над чем задуматься и, очень возможно, пересмотреть существующие взгляды на проблему планетообразования.

Для объяснения существования «горячих юпитеров» обращающихся вокруг звезды по очень низким, практически круговым, орбитам сейчас используется так называемая теория миграции — медленное сползание планет с высоких орбит, где они могли образоваться, на низкие, околозвездные. В Солнечной системе такого феномена никогда не наблюдалось: планеты-гиганты, так же как и в древности, остаются на своих местах и никуда не сползают.

Тем не менее, теория миграции — попытка вполне логически объяснить происхождения «горячих юпитеров», ведь на таком близком расстоянии от звезды им, вроде, не из чего возникнуть. Тем более что астрономы давно обнаруживали множество гигантских газово-пылевых дисков в стадии формирования планет. Обширная зона вокруг звезд свободная от газа и пыли. Плотность излучения там настолько велика, что оно выметает пылевые частицы на периферию, где-то на расстояние приблизительно в 5 а.о. и дальше от звезды.

Это указывает, что именно на таком расстоянии создаются условия, наиболее благоприятны для формирования гигантских планет, после чего они, возможно, опускаются поближе к светилу. Однако подтверждения явления постепенной миграции планеты к звездам пока не существует. Нужно время и новое очень чувствительное оборудование. Поживем — увидим, а пока, как убеждают наблюдения, нам еще далеко до полного понимания всех этапов эволюции планетных систем. Природа еще не раз будет преподносить нам интригующие сюрпризы, а мы — восхищаться ее разнообразием и премудростью.

Одним из таких сюрпризов является значительные эксцентриситеты орбит экзопланет с большой полуосью орбиты более 0.16 а.о. Усредненный для 90 планет на высоких орбитах он составил 0.32, в то время как усредненный эксцентриситет для планет Солнечной системы становит только 0.06. Для объяснения происхождения таких больших эксцентриситетов экзопланетных систем уже придуманы различные механизмы, главные из которых — гравитационное взаимодействие планет.

Недавние исследования показали, что вытянутые и изменчивые орбиты характерны для систем, где произошел межпланетный выброс. Если взять статистику, то есть проанализировать количество известных внесолнечных планет с вытянутыми орбитами, то подобная катастрофа выглядит более обычным явлением, чем длительное сохранение стабильности, свойственное нашей планетной системе. Вполне возможно, что в этом процессе возле родительского светила остается намного меньше планет, чем выбрасывается в межзвездное пространство, где такие «отшельники» могут миллионы лет скитаться, пока их не захватит гравитация какой-то иной звезды. Кстати, такие «бездомные» планеты уже обнаружены.

Надо также учитывать, что, как показывают элементарные расчеты, большой эксцентриситет приводит к катастрофическому пересечению орбит. Более массивные тела как бы постепенно «очищают» ближайшее пространство, поглощая меньшие тела. Поэтому, очень возможно, планетам с массами порядка Земли труднее «выжить» по соседству с планетами-гигантами на вытянутых орбитах. Вот такой естественный отбор может существенно убавить наши надежды на распространенность во Вселенной планет, подобной нашей.

Если учесть, что протопланетные газово-пылевые диски значительно отличаются по массе, скорости обращения, химическому составу, то и планетные системы должны сильно различаться по свойствам, представляя нашему вниманию «коллекцию» космических тел с такими параметрами, которые не встречаются в Солнечной системе. Несомненно, что существенную роль в процессе планетообразования играет скорость потери туманностью водорода в критический для формирования планет период. Концентрация газа и пыли в протопланетном диске, с одной стороны, и масса образующихся планет, с другой определяют их гравитационные взаимодействия и закладывают будущую орбитальную характеристику и количество членов планетной системы. Выявление конкретных закономерностей процесса планетообразования на примерах всевозможных экзопланетных систем — не легкая задача для будущих исследований.