Форма этих пламенеющих «бутонов» очень причудлива: чашечки, венчики, кольца, арки, петли. Небо цветет! По мнению многих астрономов, это самые красивые объекты во Вселенной. Они зовутся планетарными туманностями. Долгое время их природа была непонятна.
В 1785 году Уильям Гершель, наблюдая за небом в уникальный для того времени 20-футовый телескоп, обратил внимание на крохотный синевато-зеленый кружок. Так же выглядела планета Уран, открытая им четыре года назад. Однако это небесное тело, как и некоторые другие, вскоре обнаруженные им, не имело ничего общего ни с планетами, ни с протопланетными телами. Название, данное им, было ошибочным.
Лишь в ХХ веке И.С. Шкловский первым понял, что планетарные туманности возникают в конце жизни звезд малой и средней массы, когда звезда, превращаясь в белого карлика, сбрасывает оболочку, и та рассеивается в окружающем пространстве.
Как полагают ученые, только в Млечном Пути имеется около 50 тысяч планетарных туманностей. Впрочем, в каталоги пока внесено лишь немногим более полутора тысяч таких объектов, причем сотню из них можно наблюдать даже в любительский телескоп. Для нашей Галактики, насчитывающей, по усредненной оценке, 200 миллиардов звезд, число планетарных туманностей, на первый взгляд, очень невелико. Все дело в том, что они недолговечны по сравнению со звездами. Они существуют лишь несколько десятков тысяч лет.
Тем не менее планетарные туманности играют важную роль в эволюции галактик. В ранний период своей истории наша Вселенная состояла главным образом из водорода и гелия. Лишь благодаря термоядерному синтезу, протекавшему в недрах звезд, она наполнилась тяжелыми элементами. Во многом именно планетарные туманности обогатили ими межзвездную среду.
Типичная планетарная туманность состоит примерно на 70 % из водорода и 28 % из гелия. Дополняют этот состав углерод, азот, кислород, а также небольшие количества других химических элементов. Протяженность подобных туманностей составляет в среднем около одного светового года, а их плотность – приблизительно 1000 частиц на один кубический сантиметр. Впрочем, молодые, только что образовавшиеся туманности – не такие разреженные. Их плотность может достигать миллиона частиц на кубический сантиметр.
В последние два десятилетия с помощью телескопа «Хаббл» удалось получить многочисленные фотографии планетарных туманностей. Примерно на каждом пятом снимке перед астрономами предстает разноцветный шар. Но в большинстве случаев эти объекты устроены гораздо сложнее. Они необычайно многолики. Почти 10 % всех туманностей имеют биполярную форму и скорее, напоминают бабочку, вот-вот готовую вспорхнуть. Некоторые очень асимметричны. Известна даже планетарная туманность, представляющая собой прямоугольник.
Почему они принимают то или иное обличье? Причины такого разнообразия до конца не выяснены. Может сказываться сила притяжения расположенных поблизости звезд и даже крупных планет. Влияние магнитных полей. Воздействие звездного ветра. Что же касается асимметричных и биполярных туманностей, то, возможно, они образовались на месте двойных звезд. Еще недавно считалось, что такое происходит лишь в исключительных случаях, и что обычно эти туманности возникают в финале жизни одиноких звезд. Наблюдения, проводимые телескопом «Хаббл», заставляют, пожалуй, пересмотреть прежние взгляды на их происхождение.
Для астрономов, изучающих планетарные туманности, одна из главных проблем заключается в том, что зачастую бывает очень трудно определить расстояние, на котором те находятся. Прежде всего, это касается отдаленных туманностей. А ведь подчас именно они оказываются единственными объектами в далеких галактиках, по которым исследователи могут уверенно судить о химическом составе этих звездных систем. В их образе перед нами проступает и наше будущее.
Когда-нибудь, почти через семь миллиардов лет, успев выжечь ближайшие планеты, потускнеет и Солнце – эта небольшая звезда, согревающая наш земной мирок. Да, прах становится прахом, а пыль – пылью. Нет ничего вечного под солнцем, нет ничего вечного и в мире звезд, этих огоньков, что – по меркам вечности – так быстро гаснут.
Посреди прежней Солнечной системы раскинется планетарная туманность. Возможно, под воздействием Юпитера она примет форму эллипса. Повлияют на ее облик и планеты, оказавшиеся в опасной близости от гибнущего Солнца. Их раскаленная твердь будет непрерывно излучать тяжелые элементы. Благодаря им туманность начнет переливаться всеми цветами радуги. На месте гибели Солнца и планет яркими, удивительными красками запылает цветок звездного вещества – живой огонь, вспыхнувший на космическом «могильнике».
Обозревая этот мрачный и эффектный финал, нельзя не признать, что Гершель, назвав данный класс туманностей «планетарными», был не так уж далек от истины. Они в самом деле связаны с планетами. Вот только те не рождаются среди разметанных клубов газа и пыли. Нет, обширная цветастая пелена, словно саваном, покрывает обломки мертвых планет. Надеясь узреть рождение космической жизни, Гершель, сам того не подозревая, отыскал далекие кладбища, над которыми еще долго будут пылать огни звездной памяти.
Незримая поступь коричневых карликов
Столетиями астрономическая классификация казалась незыблемой: кометы, планеты, звезды… Между планетами и звездами зияла пропасть. Они слишком разнились по своим размерам. Астрономы не раз задавались вопросом: «Какие законы запрещают появление небесных тел, больших, чем планеты, но меньших, чем звезды?» Не было логических объяснений этой разверзшейся пустоте. И несколько десятилетий назад ученые начали поиск объектов, которые могли бы заполнить непонятную лакуну.
Расчеты показывали, что масса этих небесных тел не может превышать 75–80 масс Юпитера (иначе объект загорится звездой) и не может быть меньше 13 масс Юпитера: все, что ниже этого предела, – планеты. Если в их недрах и начинается термоядерная реакция, то быстро гаснет. Мрачно мерцающие каменные шары – вот что они такое. Большую часть излучения, испускаемого ими, должно составлять инфракрасное, то есть тепловое, излучение. Они пышут жаром, как пироги в печи.
Эти тела прозвали «черными», или «инфракрасными», звездами. Лишь в 1975 году американский астроном Джилл Тартер придумала им прозвище, под которым они и вошли в научные труды: «коричневые карлики» (название не вполне точное, поскольку эти объекты выглядят красноватыми).
Однако их поиск обернулся фиаско. Их не было. Открытие же состоялось лишь в 1995 году, когда интерес к ним охладел так же сильно, как их недра. Наблюдая за созвездием Зайца, американские астрономы Шри Кулкарни и Тадаси Накадзима из Паломарской обсерватории обнаружили близ звезды Глизе 229, на расстоянии 18 световых лет от Земли, едва приметную светлую точку. Расчеты показали, что масса этого небесного тела в 30–40 раз превышает массу Юпитера. Это не была звезда. Об этом же свидетельствовал и спектральный анализ, ведь там обнаружился метан. В недрах звезд, разогретых до температуры не менее 1800 °C, он не может существовать, поскольку разлагается при температурах свыше 1200 °C. Объект однозначно был коричневым карликом.
Сравнительные размеры коричневых карликов Глизе 229B и Тейде 1 с Юпитером и Солнцем
Поиски его собратьев продолжились с новой силой. Однако успех пришел лишь в последнее десятилетие. Теперь астрономам известны уже свыше 500 подобных объектов. Их открывают чуть ли не еженедельно. Чаще всего они оказываются спутниками той или иной звезды. Но были обнаружены и карлики, располагавшиеся в стороне от звезд.
Причины длительных неудач объяснимы. В оптическом диапазоне эти небесные тела почти невозможно разглядеть – они светятся в сотни тысяч, а то и миллионы раз слабее Солнца. По результатам спектрального анализа видно, что их атмосфера содержит не только различные газы, но также силикаты и железо. При температуре около 2000 °C, царящей поначалу на поверхности коричневого карлика, железо пребывает в газообразном состоянии и конденсируется по мере того, как он остывает. Тогда на эту полупланету-полузвезду обрушиваются ливни из жидкого железа. Как показывают расчеты, которые проделали астрономы Адам Бургассер и Кэтрин Лоддерс из Вашингтонского университета, на поверхности карликов бушуют страшные бури, с которыми не сравнятся не то что земные ураганы, но и грандиозный вихрь, столетиями наблюдаемый на Юпитере, – Большое Красное Пятно.
Коричневые карлики оказались также мощными источниками радиоизлучения. Так, в 2006 году были обнаружены три подобных объекта, которые ритмично, словно пульсары, испускали радиоволны. Правда, они вращались гораздо медленнее пульсаров, излучая один радиоимпульс раз в два-три часа, в то время как ритм пульсаров исчисляется миллисекундами.
Итак, одни свойства сближают коричневые карлики с планетами, другие – со звездами. Возможно, они образуются, когда рост звезды по какой-либо причине прекращается. Такое может произойти в двойных звездных системах, когда один из партнеров выталкивает другого, прежде чем тот дорастет до размеров настоящей звезды. Причиной коллизии может стать и сила притяжения оказавшейся поблизости звезды, увлекающей за собой «недоношенную» звезду.
Может статься также, что в окрестности молекулярного облака, где рождается карлик, окажется очень горячая звезда. Под действием испускаемых ей ультрафиолетовых лучей вещество облака испарится быстрее, чем карлик успеет сам превратиться в звезду.
Однако недавние открытия астрономов заставили усомниться в последнем сценарии. Павел Кроупа из Кильского университета и Жером Бувье из Гренобльской обсерватории, наблюдая за известной областью рождения звезд – темными облаками в созвездии Тельца, обнаружили там целый ряд коричневых карликов, но поблизости не было очень горячих звезд, которые помешали бы им вырасти в нормальную звезду. Сами карлики были окружены газопылевыми дисками. По сообщению Рэя Джаявардханы из Мичиганского университета, около половины исследованных коричневых карликов, по-видимому, окружены подобными дисками, как и любые молодые звезды.
Очевидно, карлики, как и звезды, образуются в центре молекулярных облаков, тогда как на их периферии, в газопылевых дисках, могут рождаться планеты. У карликов есть свои планетные системы! Так, наблюдение за карликом CFHT BD-Tau 4 в созвездии Тельца показало, что вещества вокруг него хватит на такую планету, как Юпитер. Коричневый карлик в созвездии Хамелеона, в 500 световых годах от Земли, окружен протопланетным диском, где «строительного материала» достаточно, чтобы возникли несколько планет земной группы или такая планета, как Сатурн. «Мы размышляем в основном о планетах, формирующихся вокруг звезд, напоминающих Солнце, – отмечают астрономы, – но планеты могут появиться и возле коричневых карликов».
Это открывает новые возможности изучения внесолнечных планетных систем. Обычно планеты теряются в ярком блеске звезды, остаются недоступны для наблюдателей. Возле коричневого карлика – тусклой точки на небосводе – и планеты выступают из тени. Их можно будет наблюдать в более мощные телескопы.
По мнению некоторых исследователей, на планетах, зародившихся близ коричневого карлика, могла бы существовать жизнь. Расчеты показывают, что на любой планете, находящейся на расстоянии от 1,5 до 7 миллионов километров от него, вода пребывает в жидком состоянии. Впрочем, многие скептично относятся к этой гипотезе. Если бы в подобной системе и появилась жизнь, то ей пришлось бы постоянно приспосабливаться к понижению температуры на поверхности планеты, ведь ресурсы карлика будут истощаться.
Тени коричневых карликов, бессчетно мелькающие на просторах Галактики, обретают свои очертания. Промежуток между звездами и планетами заполняют эти своеобразные небесные тела: недоношенные звезды, планеты-переростки. Они так неприметны, что даже средства массовой информации, иногда сообщающие об открытиях в области астрономии, совершенно не замечают их – этот равновеликий звездам и планетам класс небесных тел.
Одно время считалось, что загадочное темное вещество, из которого в основном и сложено мироздание, состоит из… коричневых карликов. Именно эти мириады полузвезд, мелькающие повсюду и остающиеся в основном невидимыми, могли бы объяснить нехватку вещества во Вселенной. Однако надежды были напрасными. Коричневые карлики оказались никудышными кандидатами на роль темного вещества. На сегодняшний день ученые полагают, что карликов во Вселенной столько же, сколько и звезд. Однако их суммарная масса составляет лишь несколько тысячных долей общей массы Вселенной.
Поиск темного вещества продолжается. Поиск коричневых карликов – тоже.
Эти экстремальные, экзотичные экзопланеты
Еще пару десятилетий назад астрономы спорили о том, существуют ли планеты возле других звезд, или Солнечная система – уникальная космическая формация. Сторонники первой гипотезы приводили те же аргументы, что неизменно вспоминают со времен Джордано Бруно: «Невозможно вообразить себе, чтобы все эти бесчисленные миры, которые столь же великолепны, как наш, или даже лучше его, были лишены обитателей, подобных земным или даже лучших». Солнце – лишь одна из множества звезд. Все остальные звезды похожи на него. Вокруг них обращаются планеты. Многие из них, наверное, обитаемы.
И все-таки открытие первой планеты за пределами Солнечной системы стало подлинной сенсацией в мире науки. Этот новый класс небесных тел – внесолнечные планеты, или экзопланеты, – был обнаружен в январе 1992 года. Первые планеты заметили там, где их никогда не взялись бы искать – в окрестности пульсара PSR B1257 + 12.
На 28 октября 2011 года астрономами было обнаружено 695 внесолнечных планет
В октябре 1995 года швейцарские астрономы Мишель Майор и Дидье Квелоц впервые заметили планету по соседству со звездой, напоминающей Солнце. Это – звезда 51 в созвездии Пегаса. Ученые были немало удивлены. Ведь, приготовляясь искать чужие миры, они рассчитывали, что те будут похожи на известный образец – нашу Солнечную систему, где все планеты обращаются вокруг звезды по траекториям, напоминающим почти идеальные окружности, – и что газовые гиганты размером с Юпитер будут держаться в некотором отдалении от звезды. Здесь же огромная планета располагалась буквально рядом со звездой (за такими планетами закрепилось название «горячие юпитеры»). Их разделяло всего 8 миллионов километров – в шесть с лишним раз меньше расстояния между Меркурием и Солнцем. Окажись на месте этой планеты Юпитер, от него остался бы жалкий, неприметный комочек – твердое ядро, разогревшееся до 1300 °C. Его обширная оболочка, состоящая из легких элементов – водорода и гелия, мигом улетучилась бы. В Солнечной системе все гигантские планеты сохранились потому, что находятся вдали от Солнца.
Вскоре американские ученые открыли еще две планеты, расположенные близ звезды 70 в созвездии Девы и звезды 47 в созвездии Большой Медведицы. Обе эти звезды удалены от нас на несколько десятков световых лет. Обе – по своим размерам, массе и температуре – похожи на Солнце. Однако их планеты мало чем напоминали Землю. Одна двигалась слишком близко от своего солнца, другая – чересчур далеко от него, на расстоянии более двух астрономических единиц. Поэтому на поверхности одной из них царит непереносимый жар, а на другой – вечный холод.
В последующие пятнадцать лет открытия посыпались как из рога изобилия. По данным на 28 октября 2011 года было обнаружено 695 внесолнечных планет. Вот лишь некоторые памятные вехи.
Август 1996 года: первая планета близ двойной звезды 55 Cancri (созвездие Рака; теперь там известно уже пять планет).
Апрель 1999 года: первая внесолнечная планетная система, она расположена близ звезды U Андромеды.
Апрель 2005 года: первая планета близ коричневого карлика 2М1207.
Август 2005 года: планета в тройной звездной системе HD 188753A («Конечно, рассветы на этой планете должны быть фантастические – в ее небе появляются сразу три солнца, красное, оранжевое и белое, – отмечал на страницах журнала “Знание – сила” обозреватель Рафаил Нудельман, – но как она вообще могла образоваться, если влияние наружных звезд давно должно было “вымести” из системы весь плането-строительный материал?»)
Астрономы открыли в космической дали сотни планет. Но в большинстве случаев на них даже не остановиться космонавтам: это газовые шары размером с Юпитер. Пока замечены лишь единичные планеты, похожие на Землю. Но это только по той причине, что, чем меньше небесное тело, тем труднее его обнаружить на просторах космоса. На самом деле слова «вторая Земля» будущим астрономам придется повторять миллионы, если не миллиарды раз. А сколько этих миров населены? Пока же нам не до космической переписи «братьев по разуму», мы делаем только первые – наугад – шаги, высматривая в туманном небе смутные очертания отдельных – еще очень крупных – далеких планет.
И все же пришло время классифицировать этих космических гостий. Так, на страницах журнала «Astrophysical Journal» американский астроном Марк Кучнер предложил разделить новые планеты на 14 категорий. Выбирая им место в этой «табели о четырнадцати рангах», он руководствовался, в первую очередь, составом протопланетного диска, из которого возникают планеты.
Например, «планеты, состоящие из углерода или моноксида углерода, должны встречаться возле белых карликов или пульсаров; они рождаются в богатых углеродом протопланетных дисках – подобный диск обнаружен, например, близ звезды Бета Пикторис». Здешние планеты будут изобиловать метаном и графитом, или, как шутят астрономы, здесь будут выситься горы из алмазов и простираться долины из дегтя.