Астрофизика — это наука о Вселенной, которая каждый год подбрасывает нам новые загадки и открывает то, что еще недавно казалось фантастикой. Сегодня телескопы видят галактики на краю наблюдаемого космоса, спутники фиксируют гравитационные волны, а суперкомпьютеры моделируют рождение звезд и столкновения черных дыр. Достижения современной астрофизики меняют не только наше понимание мира, но и представления о месте человека во Вселенной.
О том, как современная наука делает новые открытия и что думают ученые по поводу других форм жизни, обитающих во Вселенной — рассказал на лекции в Открытом кампусе доктор физико-математических наук, профессор кафедры теоретической физики и астрономии РГПУ им. А. И. Герцена Пронин Владимир Петрович.
Мы предлагаем вам свой вариант пересказа встречи на эту тему.
Астрофизика — это не только про звезды и галактики, но и про то, как устроена сама природа. Наблюдая за далекими объектами, мы фактически изучаем фундаментальные законы: как работает гравитация, как ведет себя материя при экстремальных температурах и давлениях, как формируются химические элементы.
Современные исследования позволяют объяснить происхождение вещества, из которого сделаны планеты и живые организмы. Кальций в наших костях, железо в крови, кислород в атмосфере — все это «звездная пыль», рожденная миллиарды лет назад в недрах сверхновых. Поэтому каждый новый результат астрофизики — это шаг к ответу на главный вопрос: откуда мы появились и что ждет Вселенную впереди.
Космос непрерывно «разговаривает» с нами, посылая сигналы в самых разных формах, а именно в виде электромагнитного, корпускулярного и гравитационного излучений. Остановимся на каждом из этих видов космических сигналов более подробно.
Главным источником информации для ученых долгое время оставалось электромагнитное излучение — свет во всех диапазонах: от радиоволн до гамма-квантов. Благодаря этому мы видим галактики, туманности, звезды и планеты, узнаем их температуру, химический состав и возраст.
Вот пример того, что видят астрофизики в различных электромагнитных волная. Это галактика Андромеды — наш ближайший крупный сосед во Вселенной и самая яркая спиральная галактика, которую можно увидеть на ночном небе невооруженным глазом. Она находится на расстоянии около 2,5 миллионов световых лет и содержит, по оценкам астрономов, более триллиона звезд — почти вдвое больше, чем в Млечном Пути. Андромеда не только впечатляет своими масштабами, но и играет ключевую роль в будущем нашей Галактики: ученые знают, что через 4–5 миллиардов лет Млечный Путь и Андромеда столкнутся и сольются в единую гигантскую галактику. Наблюдения с помощью телескопа «Хаббл» показали, что движение Андромеды направлено прямо к нам, и этот космический «танец» уже предопределен. Изучая эту галактику, ученые получают ценные сведения о том, как формируются и эволюционируют звездные системы во Вселенной.
Телескопы — это глаза человечества во Вселенной, и их характеристики определяют, насколько глубоко мы можем заглянуть в космос. Важнейшей из них считается проницающая способность — способность прибора регистрировать самые слабые и далекие объекты, которые недоступны человеческому глазу. Она напрямую связана с площадью объектива: чем больше зеркало или линза, тем больше света собирает телескоп и тем отчетливее можно увидеть тусклые объекты. Но важна не только светосила, а и интенсивность шума — фоновых сигналов, которые мешают наблюдению. Еще один ключевой параметр — угловое разрешение, показывающее, насколько детально телескоп способен различать объекты, находящиеся близко друг к другу. Оно определяется формулой Δϕ ~ λ/ϕ, где λ — длина волны наблюдаемого излучения, а ϕ — диаметр объектива: чем больше объектив и чем меньше длина волны, тем выше четкость изображения. Именно эти параметры делают возможными открытия — от обнаружения новых галактик до изучения атмосферы далеких экзопланет.
Телескопы современных обсерваторий представляют куда более усовершенствованные, мощные и несоизмеримые по масштабности приборы.
Другой тип сообщений — корпускулярное излучение, то есть потоки частиц: космические лучи, протоны, электроны, нейтрино. Они несут уникальные сведения о процессах в недрах звезд и о самых высокоэнергетичных явлениях Вселенной. И наконец, совсем недавно человечество научилось улавливать гравитационные волны — крошечные колебания пространства-времени, возникающие при столкновениях черных дыр и нейтронных звезд. Эти три канала в совокупности дают астрономам объемную картину происходящего в космосе, словно разные голоса в многоголосом хоре Вселенной.
Телескопы КекаНа вершине Мауна-Кеа на Гавайях расположены два гигантских телескопа Кека, каждый диаметром 10 метров. Их зеркала состоят из 36 отдельных шестиугольных сегментов, которые работают как единое целое благодаря сложной системе управления. Эти телескопы открыли астрономам путь к исследованию экзопланет, галактик и ранней Вселенной, а также сыграли ключевую роль в изучении черных дыр.
Большой бинокулярный телескоп (LBT)LBT в Аризоне — это уникальный телескоп с двумя зеркалами диаметром 8,4 метра каждое. Они установлены рядом, подобно глазам, что позволяет получать изображения с рекордным разрешением. Благодаря такому «бинокулярному зрению» LBT раскрывает тончайшие детали в строении далеких галактик и планетных систем.
Большой южно-африканский телескоп (SALT)SALT, расположенный в Южной Африке, имеет зеркало диаметром 11 метров, что делает его крупнейшим оптическим телескопом в южном полушарии. Он используется для изучения спектров звезд и галактик, помогая раскрывать тайны химического состава и эволюции космоса. SALT особенно важен для наблюдений объектов, которые не видны с северного неба.
Самый большой телескоп-интерферометр (VLTI)Интерферометр VLTI в Чили объединяет несколько телескопов обсерватории Параналь в единый инструмент. Эта технология позволяет достичь такого углового разрешения, словно используется зеркало диаметром более 100 метров. VLTI позволяет разглядывать окрестности черных дыр и строить детальные карты поверхностей звезд.
Европейский чрезвычайно большой телескоп (ELT)Строящийся в Чили ELT будет обладать зеркалом диаметром 39 метров — это самый большой оптический телескоп в мире. Он обещает революционные открытия в области поиска внеземной жизни, изучения экзопланет и структуры Вселенной. ELT станет настоящим «глазом человечества» в глубины космоса.
Телескоп ХабблКосмический телескоп «Хаббл», запущенный в 1990 году, навсегда изменил астрономию. Работая за пределами земной атмосферы, он сделал миллионы снимков, от колец Сатурна до далеких галактик. Благодаря ему астрономы измерили скорость расширения Вселенной и увидели объекты, существовавшие вскоре после Большого взрыва.
Телескоп Джеймса Уэбба (JWST)JWST, запущенный в 2021 году, стал преемником «Хаббла». Его 6,5-метровое золотое зеркало работает в инфракрасном диапазоне, позволяя заглянуть сквозь космическую пыль и увидеть первые галактики. Уже сегодня телескоп поражает человечество снимками колоссальной детализации и помогает искать следы жизни на экзопланетах.
Телескоп ПланкаЕвропейский космический телескоп «Планк» (2009–2013) наблюдал микроволновое излучение — «эхо» Большого взрыва. Он составил самую точную карту реликтового излучения, позволив уточнить возраст Вселенной и ее состав. Эти данные стали фундаментальными для современной космологии.
Телескоп SOHOSOHO (Solar and Heliospheric Observatory), запущенный в 1995 году, изучает Солнце. Он наблюдает солнечную активность, вспышки и выбросы плазмы, а также помогает предсказывать космическую погоду. Благодаря SOHO было открыто тысячи новых комет.
РАТАН-600Российский радиотелескоп РАТАН-600, расположенный в Карачаево-Черкесии, имеет диаметр 576 метров и необычную форму кольца. Он используется для изучения космоса в радиодиапазоне: от солнечной активности до далеких галактик. Это один из крупнейших радиотелескопов в мире.
Китайский телескоп FAST
FAST (Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope) в Китае — крупнейший радиотелескоп на Земле, диаметром 500 метров. Его главная задача — поиск сигналов из глубин космоса, включая пульсары и возможные признаки внеземного разума. FAST позволяет «слушать» Вселенную с невиданной ранее чувствительностью.
Телескопы апертурного синтезаЭто система, которая позволяет объединять сигналы от нескольких небольших антенн и получать изображение с качеством, как если бы использовался один гигантский телескоп. Такой метод стал революцией в радиоастрономии: ученые могут «увидеть» детали далеких космических объектов с невероятной четкостью, несмотря на то, что отдельные антенны сравнительно малы.
VLA (Very Large Array)Очень большая антенная решетка в Нью-Мексико (США) — один из самых известных радиообсерваторий мира. 27 подвижных антенн диаметром по 25 метров каждая могут выстраиваться в разные конфигурации, образуя «виртуальный телескоп» размером до 36 километров. VLA помог открыть струи из активных ядер галактик, изучить остатки сверхновых и понять природу радиопульсаров.
ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array)ALMA расположена на высоте более 5000 метров в чилийской пустыне Атакама. Это крупнейший комплекс миллиметровых и субмиллиметровых антенн, позволяющий заглянуть в самые холодные и далекие области Вселенной. ALMA особенно ценна для изучения образования звезд и планет, ведь именно в этих диапазонах излучают облака газа и пыли, из которых рождаются новые миры.
Радио интерферометрыЭто общее название для всех систем, где несколько антенн объединяются в единую сеть. Принцип интерферометрии позволяет ученым достигать сверхвысокого углового разрешения и получать изображения деталей, которые невозможно различить с помощью оптических телескопов. Радиоинтерферометры стали главным инструментом в исследованиях пульсаров, квазаров и космического микроволнового фона.
Радиоинтерферометрический комплекс «КВАЗАР»Российская система из трех радиотелескопов с антеннами диаметром 32 метра, расположенных в Санкт-Петербурге, Нижнем Новгороде и вблизи Владивостока. Эта сеть работает в режиме VLBI (интерферометрия со сверхдлинной базой), обеспечивая точнейшие астрометрические измерения. «КВАЗАР» участвует в международных проектах и помогает уточнять координаты космических аппаратов и небесных объектов.
РадиоастронРоссийский космический радиотелескоп, запущенный в 2011 году. Его антенна диаметром 10 метров работала в связке с наземными обсерваториями, образуя интерферометр с «базой» до 350 тысяч километров. Это сделало «Радиоастрон» крупнейшим телескопом в истории человечества и позволило заглянуть в окрестности сверхмассивных черных дыр с беспрецедентным разрешением.
Event Horizon Telescope (EHT)Глобальная сеть радиотелескопов по всему миру, работающих как единый инструмент. В 2019 году именно EHT впервые получил изображение тени черной дыры в галактике M87, а в 2022 году — в центре нашей Галактики. Этот проект стал настоящим прорывом: человечество впервые увидело то, что ранее было только в теориях и расчетах.
Телескоп «Чандра»Космическая рентгеновская обсерватория NASA, запущенная в 1999 году. «Чандра» позволяет наблюдать высокоэнергетические процессы во Вселенной: вспышки сверхновых, аккрецию вещества на черные дыры, рентгеновские двойные системы. Его данные помогли глубже понять строение скоплений галактик и процессы, формирующие крупномасштабную структуру космоса.
Спектр-РГРоссийская космическая обсерватория, запущенная в 2019 году. На борту — два основных инструмента: немецкий eROSITA и российский ART-XC. Вместе они создают самый полный обзор неба в рентгеновском диапазоне. «Спектр-РГ» уже открыл миллионы новых источников рентгеновского излучения, включая активные ядра галактик и новые кластеры галактик.
Телескоп «Ферми»Космическая гамма-обсерватория NASA, работающая с 2008 года. «Ферми» изучает Вселенную в диапазоне гамма-лучей, фиксируя взрывы гамма-всплесков, активные ядра галактик и космические лучи. Этот телескоп дал ключ к пониманию процессов в самых экстремальных условиях космоса.
Крымский гамма-телескопНаземная установка для регистрации космических гамма-лучей высокой энергии. Работает в составе международных проектов и используется для изучения вспышек на Солнце и потоков космических лучей. Его данные помогают исследовать природу мощных космических процессов, недоступных оптическим телескопам.
Cherenkov Telescope Array (CTA)
Международный проект по созданию крупнейшей в мире системы наземных гамма-телескопов. CTA будет состоять из сотен зеркальных антенн в Чили и на Канарских островах. Он позволит изучать источники космических гамма-лучей с невиданной ранее чувствительностью и расширить границы знаний о Вселенной высокой энергии.
Корпускулярная астрономия — это направление, которое изучает не электромагнитное излучение, а потоки элементарных частиц, приходящих к нам из космоса. Два ее главных раздела — нейтринная астрономия и астрономия космических лучей. Нейтрино — это почти неуловимые частицы, которые взаимодействуют с материей крайне слабо и потому могут пролетать сквозь звезды и планеты, не оставляя следа. Изучение их потоков открывает уникальные возможности: мы можем «заглянуть» в недра Солнца или даже в процессы, происходящие при взрывах сверхновых. Космические лучи — это потоки протонов и ядер атомов, разогнанных до колоссальных энергий в далеких астрофизических источниках. Их регистрация позволяет понять природу самых мощных ускорителей Вселенной — от пульсаров до активных ядер галактик. Вместе эти направления формируют «новый взгляд» на космос, дополняя картину, полученную оптическими и радиотелескопами.
Первый нейтринный телескоп был создан Рэймондом Дейвисом в 1960-х годах в США. Он представлял собой огромный резервуар с 400 тысячами литров перхлорэтилена, установленный глубоко под землей, чтобы защитить его от космического излучения. С помощью этого прибора удалось впервые зарегистрировать солнечные нейтрино и доказать, что Солнце действительно светит благодаря термоядерным реакциям. Эксперимент принес Дейвису Нобелевскую премию.
Один из самых известных нейтринных детекторов, расположенный в Японии, представляет собой гигантский подземный резервуар, заполненный 50 тысячами тонн чистейшей воды. Внутри установлены тысячи фотомножителей, улавливающих вспышки черенковского излучения, возникающего при взаимодействии нейтрино с водой. Супер-Камиоканде сыграл ключевую роль в открытии осцилляций нейтрино — явления, доказывающего, что эти частицы имеют массу.
Расположенный в Канаде, SNO использовал 1000 тонн тяжелой воды (D₂O), что позволило фиксировать нейтрино разных типов. Наблюдения подтвердили: поток солнечных нейтрино «превращается» по дороге к Земле из одного типа в другой. Этот результат окончательно решил проблему «дефицита солнечных нейтрино» и подтвердил квантовую природу их осцилляций.
Итальянский проект Borexino расположен в подземной лаборатории Гран-Сассо. Он использует жидкий сцинтиллятор для регистрации низкоэнергетических солнечных нейтрино. Borexino стал первым детектором, который смог напрямую измерить поток нейтрино из реакций цикла CNO — одного из двух основных термоядерных механизмов в звездах. Эти данные крайне важны для понимания эволюции звезд и химического состава Солнца.
IceCube — это крупнейший нейтринный телескоп в мире, расположенный на Южном полюсе. Вместо традиционных резервуаров он использует сам антарктический лед: на глубину до 2,5 километров в ледяную толщу опущены тысячи оптических датчиков. Они фиксируют слабые вспышки черенковского излучения, возникающие при редких столкновениях нейтрино с атомами льда. IceCube впервые зарегистрировал нейтрино внегалактического происхождения, открыв новое окно для изучения далеких космических катастроф.
На дне озера Байкал строится крупнейший в Северном полушарии нейтринный детектор Baikal-GVD (Gigaton Volume Detector). Его модули закреплены в толще воды на глубине более километра. Байкальская вода обладает высокой прозрачностью и стабильной температурой, что делает е идеальной средой для регистрации вспышек черенковского излучения. Этот проект имеет международное участие и способен исследовать космические нейтрино с энергиями вплоть до экстремальных, помогая искать источники космических лучей.
Расположенная в Аргентине, обсерватория Пьера Оже — крупнейший в мире комплекс для изучения космических лучей сверхвысоких энергий. Она объединяет сеть из 1600 наземных детекторов и 27 телескопов, которые фиксируют каскады частиц, возникающих при столкновении космических лучей с атмосферой Земли. Оже позволила определить, что самые мощные космические лучи имеют внегалактическое происхождение и, возможно, связаны с активными ядрами галактик.
Большой адронный коллайдер — крупнейший и самый мощный ускоритель частиц в мире, построенный Европейским центром ядерных исследований (CERN) на границе Швейцарии и Франции. Его кольцо протяженностью 27 километров залегает на глубине около 100 метров под землей. В нем разгоняются протоны и ионы до скоростей, близких к световой, после чего сталкиваются в четырех точках, где размещены гигантские детекторы (ATLAS, CMS, ALICE и LHCb). БАК стал настоящей лабораторией для проверки предсказаний современной физики: именно здесь в 2012 году был открыт бозон Хиггса — «частица, дарующая массу». Помимо этого, эксперименты на коллайдере помогают исследовать природу темной материи, кварк-глюонную плазму — состояние вещества, существовавшее в первые мгновения после Большого взрыва, а также проверять пределы Стандартной модели. БАК — это не только фундаментальная наука, но и технологический прорыв: для его работы разработаны новые методы охлаждения, сверхпроводящие магниты и вычислительные системы, которые находят применение в медицине, материаловедении и других сферах.
Гравитационная астрономия — это новый язык чтения Вселенной: вместо световых или радиоимпульсов она «слушает» колебания самой ткани пространства-времени. Эти колебания — гравитационные волны — возникают при ускоренном движении массивных объектов и несут информацию о событиях, которые иногда полностью скрыты в оптическом диапазоне (например, слияния черных дыр). Появление рабочих детекторов гравитационных волн открыло для астрономов принципиально иной канал наблюдений: теперь мы можем изучать рождение и смерть самых тяжелых объектов, механизмы их взаимодействия и даже заглядывать в эпохи ранней Вселенной, недоступные традиционной электромагнитной астрономии.
Источники гравитационных волн
Главные источники — это компактные, массивные и быстро меняющиеся системы: слияния пар черных дыр и нейтронных звезд, столкновения и асимметричное взрывообразное сжатие при гравитационном коллапсе (сверхновые), быстро вращающиеся несимметричные нейтронные звёзды, а также процессы ранней Вселенной (например, флуктуации при фазовых переходах или реликтовый стохастический фон). Каждый тип источника «говорит» на своей частоте и дает разные подсказки — от масс и спинов компонент до условий в ядре взрывной звезды.
Гравитационные волны описываются амплитудой (или страйн-коэффициентом hhh), частотой и поляризацией. Амплитуды, регистрируемые современными детекторами, чрезвычайно малы — порядка 10−2110^{-21}10−21 и меньше, то есть относительные деформации длины крошечны. Частотный диапазон волн варьирует: слияния компактных объектов дают колебания в диапазоне десятков — тысяч герц (LIGO/Virgo), сверхмассивные слияния — миллигерцы (LISA), а стохастический фон — еще более низкие частоты. Волны распространяются со скоростью света и несут энергию, импульс и информацию о динамике источника.
Первое непосредственное детектирование гравитационных волн произошло 14 сентября 2015 года 5:51 по восточному летнему времени и получило обозначение GW150914. Два детектора LIGO (в Хэнфорде и Ливингстоне) зафиксировали короткий сигнал от слияния двух черных дыр масс ∼36 и ∼29 масс Солнца; в результате образовался объект ∼62 солнечных масс, а энергия, эквивалентная ≈3 массам Солнца, ушла в гравитационные волны. Объявление в феврале 2016 года стало исторической вехой: подтвержденное предсказание общей теории относительности и рождение новой астрономии.
LIGO — это огромный лазерный интерферометр в форме буквы L с двумя перпендикулярными «руками» по 4 километра. В центре — лазер, разделяющийся на два луча, каждый проходит по своей руке и отражается от подвешенных зеркал-тест-масс; при возвращении лучи интерферируют. Проходящая гравитационная волна меняет относительную длину рук на доли атомного размера, что проявляется как сдвиг интерференционной картины. Для выделения такого крошечного сигнала требуются исключительная стабилизация лазера, многократные оптические резонаторы (Fabry–Perot), сверхточная система изоляции от сейсмики и сложные методы обработки сигналов (matched filtering) — все это позволяет «услышать» ударные события во Вселенной.
Einstein Telescope (ET) — проект третьего поколения наземных детекторов в Европе. Это подземный треугольный комплекс с базовыми «руками» порядка 10 км, где в каждом углу располагаются пересекающиеся интерферометры, оптимизированные для охвата очень широкого диапазона частот (снижение порога чувствительности до единиц герц). Подземное размещение и технология низкотемпературного охлаждения элементов уменьшат сейсмический и тепловой шум, что даст возможность регистрировать более «медленные» и ранние фазы слияний и расширит объем «прослушиваемой» Вселенной на порядки.
eLISA (evolved LISA) — предельно амбициозный проект космического интерферометра (текущая миссия ESA называется LISA), состоящего из трех спутников, формирующих равносторонний треугольник с длиной плеч ~2,5 миллиона километров. В такой конфигурации чувствительность смещается в миллигерцевый диапазон: LISA будет «слышать» слияния сверхмассивных черных дыр, «экстремальные масс-отношения» (EMRI) — случаи, когда компактный объект обращается вокруг супермассивного черного отверстия, и миллионы галактических белых карликов. В космосе удаётся избежать земных шумов и реализовать технологии свободно-плавающих тест-масс (drag-free), а для борьбы с нестабильностью лазеров применяется метод временной интерферометрии (time-delay interferometry).
Парадокс Ферми — один из самых известных вопросов современной науки о жизни во Вселенной. Его суть проста: если галактика Млечный Путь огромна и существует миллиарды лет, а число звезд с потенциально обитаемыми планетами измеряется миллиардами, то почему же мы до сих пор не наблюдаем убедительных признаков внеземных цивилизаций? Еще в 1950 году физик Энрико Ферми, обсуждая этот вопрос с коллегами, задал знаменитую фразу: «Где же они?» Ответы на этот парадокс варьируются от пессимистичных (жизнь возникает крайне редко, цивилизации быстро вымирают) до более экзотических (инопланетяне сознательно скрывают свое существование, мы еще слишком «молоды», чтобы быть замеченными, или ищем не теми методами). Парадокс Ферми остается открытым и стимулирует как астрономические исследования, так и философские размышления о месте человечества во Вселенной.
Астробиология — это междисциплинарная область науки, которая объединяет биологию, химию, физику и астрономию, чтобы ответить на фундаментальные вопросы: что такое жизнь, как она возникает и развивается, и существует ли она за пределами Земли. Под жизнью ученые обычно понимают систему, обладающую метаболизмом, способностью к самовоспроизведению и эволюции. Механизмы ее возникновения до конца не ясны: гипотезы варьируются от «первичного бульона» с органическими молекулами до панспермии, предполагающей занос жизни на Землю из космоса.
Астробиология рассматривает не только историю земной биосферы, но и возможность существования жизни на других телах Солнечной системы. В фокусе внимания — Марс, где найдены следы древних рек и подземного льда; спутники-океаны Европы и Энцелада, подо льдом которых скрываются глобальные водные океаны; Титан с его метановыми морями и сложной органической химией; а также кометы и астероиды, богатые углеродными соединениями. Эти объекты могут дать ключ к пониманию универсальности процессов, породивших жизнь.
За пределами Солнечной системы поиск продолжается с помощью астрономических наблюдений экзопланет: телескопы фиксируют атмосферные маркеры, такие как кислород, метан и водяной пар, которые могут быть признаками биологической активности. Таким образом, астробиология соединяет усилия разных наук, чтобы понять: уникальна ли жизнь на Земле или мы лишь часть гораздо более богатой и разнообразной Вселенной.
Программа Rosetta (2004—2016)
Миссия Европейского космического агентства «Розетта» началась запуском в марте 2004 года и стала одной из самых амбициозных и информативных экспедиций по изучению комет. Через десять лет, в августе 2014-го, «Розетта» достигла кометы 67P/Чурюмова–Герасименко и вошла с ней в орбиту — впервые в истории аппарат «прожил» вместе с телом такого рода, сопровождая его вокруг Солнца.
В ноябре 2014 года с борта «Розетты» был сброшен посадочный модуль Филэ: он впервые в истории совершил мягкую посадку на поверхность кометы (хотя и с техническими трудностями — Филэ несколько раз терял контакт). За время работы аппарат и его многочисленные приборы (OSIRIS, ROSINA, MIRO, CONSERT и др.) дали чрезвычайно богатый набор данных: показали двойную «бобовидную» форму ядра, низкую плотность и пористую структуру, зарегистрировали выбросы газа и пыли, картировали рельеф и слои коры. Среди научных открытий — обнаружение сложных органических молекул в коме, регистрация молекулярного кислорода (O₂) — неожиданного компонента в составе вырывающихся газов, а также точные измерения соотношения дейтерий/водород (D/H), которые показали, что по крайней мере эта комета вряд ли была основным источником земной воды. Миссия завершилась контролируемым приводнением «Розетты» на поверхность кометы 30 сентября 2016 года, но ее научное наследие — детальные спектры, снимки и образцы данных — будет анализироваться еще долгие годы.
Поиск планет вокруг других звезд опирается на набор приемов, каждый из которых использует разные следы, оставляемые планетами на своих звездах или в луче наблюдения. Вместе они дают комплексную картину разнообразия планетных систем.
Астрометрия
Астрометрия — это метод, основанный на точном измерении положения звезды на небе. Планета притягивает свою звезду, заставляя ее «качаться» вокруг общего центра масс системы; это движение проявляется как малая циклическая «рысканье» позиции звезды. Если наблюдать достаточно долго и с высокой точностью, можно восстановить орбиту невидимого спутника, оценить его массу и орбитальный радиус. Астрометрия особенно сильна для поиска массивных планет на широких орбитах вокруг относительно близких и ярких звезд. Главный ее недостаток — требование исключительно высокой прецизионности в измерениях положения (микро- или даже наносекундные доли дуги), поэтому длительное время метод был технически сложен; прорыв сейчас приносит спутник Gaia, способный находить массивные планеты на дальних орбитах за счёт миллиардных замеров положения миллионов звезд.
Микролинзирование (гравитационное линзирование)
Микролинзирование использует эффект гравитационного линзирования: когда перед более далекой звездой на одну линию зрения выходит другая звезда (или система «звезда+планета»), гравитация «ближайшей» фокусирует свет фонового объекта, вызывая временное повышение яркости. Наличие планеты вызывает характерный кратковременный отклоняющий сигнал на световой кривой — «зубец» или «аномалию». Метод ценен тем, что он чувствителен к планетам, расположенным на больших расстояниях от нас (включая галактическое вложение) и к низкомассивным объектам, даже к «свободноплавающим» планетам, не связанным со звездой. Микролинзирование не требует, чтобы система была яркой для нас, но событие — однократное и неповторимое (нельзя наблюдать повтор), поэтому для обнаружения нужны массовые мониторинговые проекты (OGLE, MOA и др.). Метод дает расстояние и отношение масс, но редко позволяет получить полную орбитальную картину без дополнительных данных.
Метод транзитов
Транзитный метод регистрирует уменьшение яркости звезды, когда планета проходит перед её диском (транзит) и частично закрывает свет. Глубина падения яркости пропорциональна отношению площадей: ΔF/F≈(Rp/R⋆)2\Delta F / F \approx (R_p / R_\star)^2ΔF/F≈(Rp/R⋆)2, где RpR_pRp — радиус планеты, R⋆R_\starR⋆ — радиус звезды. Этот приём даёт прямую меру радиуса планеты и — при наличии точной световой кривой — позволяет изучать атмосферу (см. ниже). Самое сильное преимущество транзитов — возможность массовых поисков: миссии типа Kepler и TESS мониторят сотни тысяч звезд одновременно и открыли тысячи кандидатов. Ограничение метода — нужна благоприятная геометрия: плоскость орбиты должна быть почти сонаправлена с нашим лучом зрения, поэтому транзитные обнаружения статистически смещены в сторону компактных и близких к звезде планет. Комбинация транзитного метода с радиальными скоростями дает массу и радиус — и значит плотность, а это ключ к разгадке природы планеты (скалистая, газовая, ледяная).
Спектральный анализ (радиальные скорости и спектроскопия атмосфер)
Под «спектральным анализом» в контексте поиска экзопланет обычно подразумеваются два близких, но принципиально разных подхода.
Почему комбинация методов важна
Каждый метод имеет сильные и слабые стороны, и их комбинация — ключ к полноте картины. Транзит дает радиус, радиальная скорость — массу (с поправкой на наклон), вместе они дают плотность и тем самым позволяют разделять «скалистые» планеты от газовых. Астрометрия и прямое изображение дополняют картину долгопериодными и широко разнесенными компонентами; микролинзирование пробирается туда, где другие методы глухи; спектроскопия раскрывает состав и возможные признаки жизни. Современная экзопланетология — это не набор отдельных приемов, а синтез данных, где каждая наблюдательная технология вносит свою часть в понимание того, какие миры существуют во Вселенной и чем они похожи или отличаются от Земли.
В 2019 году Нобелевская премия по физике была присуждена за два великих достижения, изменивших наше понимание Вселенной. Одну половину премии получил канадско-американский астрофизик Джеймс Пиблз — за фундаментальный вклад в космологию. Его работы о космическом микроволновом фоне и крупномасштабной структуре Вселенной заложили основу современной теории Большого взрыва и позволили понять, что лишь малая часть космоса состоит из обычного вещества, а остальное — это темная материя и темная энергия. Вторую половину премии разделили швейцарские ученые Мишель Майор и Дидье Кело, которые в 1995 году впервые открыли экзопланету у звезды, похожей на наше Солнце, — 51 Пегаса b. Это открытие стало началом новой эры в астрономии: теперь мы знаем тысячи планет за пределами Солнечной системы, а поиски «второй Земли» превратились из мечты в реальную научную задачу.
Основные методы обнаружения экзопланет
1. Метод прямой фотометрической регистрации экзопланет (получение прямого изображения экзопланеты путем регистрации ее собственного излучения или отраженного ею света звезды);
2. Астрометрический метод (поиск периодических колебаний положения звезды в плоскости небесной сферы, вызванных ее обращением вокруг центра масс планетной системы);
3. Метод лучевых скоростей (поиск периодических колебаний лучевой скорости звезды, вызванных ее обращением вокруг центра масс планетной системы);
4. Транзитный метод (регистрация кратковременного уменьшения блеска звезды при проходе планеты на фоне звездного неба или «затмение» звезды планетой);
5. Тайминг. Метод вариации времени транзитов (TTV) (наблюдаются регулярные отклонения в моментах прихода периодических сигналов, вызванные изменением расстояния до их источника, совершающего орбитальное движение);
6. Метод гравитационного микролинзирования (поиск кратковременного усиления блеска звезды заднего фона в результате искривления ее лучей в гравитационном поле более близкой к нам звезды с планетной системой или свободно «дрейфующей» планеты).
Некоторые инструменты для открытия и изучения экзопланет
«HARPS» и «HARPS-North» – высокоточные звездные спектрографы.
«HARPS» установлен на 3.6-метровом телескопе в обсерватории «Ла-Силья» в Чили. «HARPS-North» установлен на итальянском 3.6-м «Национальном телескопе Галилея», который расположен на острове Ла-Пальма Канарского архипелага (Испания).
«HARPS» работает с 2003 года. «HARPS-North» начал свою работу в апреле 2012 года. С их помощью было открыто или подтверждено более тысячи экзопланет.
На этой диаграмме зеленым цветом выделена Зона обитаемости (или Зона Златовласки) вокруг звёзд различных типов. У более ярких звёзд эта область шире и расположена дальше от звезды. «Консервативная» зона обитаемости вокруг Солнца: 0.98-1.69 а.е. «Оптимистическая» ЗО – 0.75-1.77 а.е. [J. Kasting et al. 2013]
Потенциально обитаемая планета у Проксимы Центавра
В августе 2016 г. астрономами из ESO было объявлено об открытии планеты в системе ближайшей звезды. Поскольку открытие сделано методом лучевых скоростей, то известна лишь минимальная масса Проксимы b, которая составляет 1.3 массы Земли. Период обращения вокруг звезды – 11.2 суток, но Проксима в 650 раз тусклее Солнца, поэтому уровень инсоляции на планете составляет 65% земного. [G. Anglada-Escude et al. 2016]
Однако, поскольку величина ультрафиолетового и рентгеновского излучения Проксимы сопоставима с Солнечной, уровень радиации на планете превышает земной уровень в 60 раз! [I. Ribas et al. 2017]
В 2017 году с помощью ALMA вокруг Проксимы было обнаружено пылевое кольцо на расстоянии от 1 до 4 а.е. Его температуру оценили в 40 K. Кроме того, были обнаружены признаки существования ещё двух поясов. [G. Anglada et al. 2107].
Метод прямой фотометрической регистрации экзопланет основан на получении прямого изображения экзопланеты путем регистрации ее собственного излучения или отраженного ею света звезды.
Астрометрический метод — поиск периодических колебаний положения звезды в плоскости небесной сферы, вызванных ее обращением вокруг центра масс планетной системы.
Метод гравитационного микролинзирования — Если на одной линии между звездой-источником и наблюдателем случайно окажется другой достаточно массивный объект, то своей гравитацией он может сфокусировать излучение звезды-источника, на время усилив её видимую яркость. Если у звезды-линзы есть планета, то возникает асимметричная кривая блеска звезды-источника. Этот метод позволяет найти даже маломассивные планеты, но его недостаток в том, что события микролинзирования редки и для одного случая не повторяются.
Статистика количества открытых экзопланет в зависимости от метода
Количество открытых экзопланет различными методами на 2018 год:
Транзитный – более 3492;
Лучевых скоростей – более 650;
Астрометрический – более 640;
Гравитационного микролинзирования – более 43;
Тайминг. Метод вариации времени транзитов (TTV) – более 30;
Метод прямой фотометрической регистрации – более 15.
TRAPPIST-1: «ультрахолодный» красный карлик и 7 транзитных планет размером с Землю
TRAPPIST-1 – звезда со светимостью 1/1900 солнечной и массой 0.089 M⊙. Удалена от Земли на 40 световых лет. Открытие уникальной системы было представлено в феврале 2017 года. Все 7 планет связаны между собой рекордной цепочкой орбитальных резонансов. Массы планет известны из TTV-метода. [M. Gillon et al. 2017] [S.L. Grimm et al. 2018]
Атмосферы транзитных планет: трансмиссионная спектроскопия
рансмиссионный спектр – это распределение глубин транзитов планеты в зависимости от длины волны ЭМ-излучения. Его изучение позволяет понять химический состав и строение атмосферы экзопланеты.
Программы SETI и METISETI (Search for Extraterrestrial Intelligence) — международная программа поиска внеземных цивилизаций. Ее цель — уловить возможные радиосигналы от разумных существ. METI (Messaging to Extraterrestrial Intelligence) идет дальше: это попытка не только слушать, но и передавать сообщения в космос. Обе программы вызывают дискуссии: от восторга перед возможностью установить контакт до опасений, что подобные действия могут привлечь нежелательное внимание.
Атакама ALMAAtacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) — крупнейший в мире радиоинтерферометр, расположенный на плато Чахнантор в Чили. Он состоит из 66 антенн, работающих как единый гигантский телескоп. ALMA позволяет исследовать холодные области космоса — молекулярные облака и места рождения звезд, где температура близка к абсолютному нулю.
Обсерватория АресибоАресибо в Пуэрто-Рико долгие годы считалась крупнейшим радиотелескопом мира с зеркалом диаметром 305 метров. Она сыграла ключевую роль в радиоастрономии и проектах SETI, а также использовалась для отправки знаменитого «Аресибского послания» в 1974 году. В 2020 году обсерватория рухнула, но ее наследие по-прежнему живо в науке.
Green Bank ObservatoryАмериканская обсерватория в Западной Виргинии с телескопом диаметром 100 метров, известным как «Green Bank Telescope». Это один из самых мощных радиотелескопов в мире, активно применяющийся в проектах SETI для поиска сигналов внеземного происхождения.
Five-Hundred-Meter Aperture Spherical Radio Telescope (FAST)FAST в Китае — крупнейший радиотелескоп на планете, диаметр его зеркала составляет 500 метров. Благодаря своей чувствительности он способен регистрировать сигналы из глубин Вселенной и стал важнейшим инструментом для изучения пульсаров и поисков внеземного разума.
16 ноября 1974 г., Аресибо, направление: созвездие ГеркулесВ этот день с радиотелескопа Аресибо было отправлено знаменитое бинарное послание, адресованное шаровому скоплению M13 в созвездии Геркулеса. Оно содержало информацию о человеке, Земле и Солнечной системе. До цели сигнал доберется примерно через 25 тысяч лет.
2008 год Евпатория, направление: Gliese 581 (Весы), 2029 приход сигналаВ 2008 году из Евпатории было отправлено радиопослание в сторону планетной системы Gliese 581. Сигнал должен достичь цели к 2029 году. Это была попытка программы METI показать, что человечество готово к диалогу с возможными цивилизациями.
1977 г., «Вояджер-1, 2»Космические аппараты «Вояджер-1» и «Вояджер-2», запущенные в 1977 году, несут на борту «золотые пластинки» с посланиями человечества: звуки, музыку, изображения. Они стали своеобразными капсулами времени и первыми «послами Земли» в межзвездном пространстве.
Формула Дрейка
Уравнение Дрейка, предложенное в 1961 году астрономом Фрэнком Дрейком, помогает оценить число разумных цивилизаций в нашей галактике, с которыми возможно установить контакт. В формуле учитываются скорость образования звезд, количество планет, вероятность возникновения жизни и развитие технологий. Хотя точные значения переменных неизвестны, уравнение стало философским и научным символом поиска внеземного разума.
Рекомендуем к прочтению
