В большинстве случаев это газовые гиганты, поскольку их легче обнаружить с помощью имеющейся у нас аппаратуры. Ведь если планета обладает значительной массой, то ее присутствие сказывается на движении звезды: планета и звезда обращаются вокруг общего для них центра масс. Поэтому периодически меняется не только положение не видимой нами планеты, но и положение звезды: она испытывает небольшие колебания, которые выдают присутствие рядом с ней крупной планеты. Установив период обращения последней, можно по закону Кеплера определить расстояние, отделяющее ее от звезды. Массу же планеты, зная размах колебаний, можно вычислить, использовав закон тяготения Ньютона.
Одинокие планеты могут перелетать из одной галактики в другую
Все обнаруженные до сих пор планеты располагались в окрестности звезд, образуя такие же (пусть и очень экзотичные) планетные системы, как и наша. Однако ими одними не ограничивается этот странный мир далеких планет. Очевидно, множество планет, предполагали исследователи, блуждает в стороне от звезд, отбившись от них в результате каких-то коллизий. Астрометрический метод, описанный выше, не поможет их отыскать, ведь они по определению «одиноки» и никак не могут повлиять на движение какой-либо звезды.
И все-таки в начале 2011 года сразу две международные группы астрономов объявили, что ими открыты десять подобных планет-одиночек, которые представляют новую категорию небесных тел. Все они напоминают по своим размерам Юпитер.
Одна из этих групп в течение двух лет с помощью телескопа обсерватории Маунт-Джон в Новой Зеландии вела наблюдения примерно за 50 миллионами звезд, расположенных в центральной части Млечного Пути, причем за каждой приглядывали ежечасно. Другая группа использовала один из телескопов Европейской южной обсерватории, чтобы проверить и подтвердить выводы коллег. Результаты их работы были опубликованы в мае 2011 года на страницах журнала «Nature».
Обе группы исследователей применили в своей работе еще один метод поиска экзопланет, основанный на теории относительности Альберта Эйнштейна. Согласно этой теории, если планета случайно оказывается точно на одной линии между Землей и какой-либо далекой звездой, то она, словно линза, фокусирует свет, излучаемый ею. Благодаря так называемому эффекту «гравитационной линзы» возникает впечатление, что звезда на какое-то время вдруг ярко вспыхивает. Таким образом, по счастливой случайности можно разглядеть даже слабо светящиеся объекты, расположенные за тысячи световых лет от нас, например, планеты, которые иначе были бы не видны. Впрочем, поскольку Земля, экзопланета и какая-либо звезда лишь в исключительных случаях оказываются на одной линии, подобные открытия чрезвычайно редки.
За два года исследований ученые зафиксировали 474 вспышки такого рода. Почти во всех случаях они были вызваны, впрочем, звездой, заслонявшей более отдаленную звезду. Однако в десяти случаях эти вспышки длились менее двух суток. Очевидно, они могли быть вызваны именно крупной планетой, причем всякий раз в радиусе десяти астрономических единиц от нее не было видно никакой звезды.
В принципе радиус орбиты, по которой движется планета, может заметно превышать эту величину. Например, средний радиус орбиты Нептуна составляет около 30 астрономических единиц. Однако наблюдения показывают, что подобный пример являет собой скорее исключение. Поэтому, по оценке исследователей, лишь четверть обнаруженных во время этого эксперимента экзопланет обращаются вокруг какой-либо звезды. Все остальные блуждают по просторам нашей Галактики в полном одиночестве.
На первый взгляд кажется, что итоговая цифра необычайно мала. Однако если учесть, что в поле зрения астрономов попала лишь небольшая часть звезд, составляющих Галактику, и тем не менее им удалось найти десяток «осиротевших» планет, то можно предположить, что небесные тела, относящиеся к этой категории, очень широко распространены. По оценке самих исследователей, одинокие планеты могут так же часто встречаться в космосе, как и экзопланеты, обращающиеся вокруг звезд и составляющие свои планетные системы. По расчетам Такахиро Суми из Осакского университета, в одном только Млечном Пути насчитывается до 400 миллиардов «космических бродяг».
Астрономы уже выдвигают гипотезы, объясняющие происхождение подобных планет. Когда идет формирование планетной системы, орбиты только что образовавшихся планет зачастую располагаются слишком близко друг к другу, и потому эти планеты особенно чувствительны к гравитационным возмущениям. Они легко могут сойти со своей орбиты и даже удалиться от звезды, вокруг которой они обращались. «Результаты, полученные нами, свидетельствуют, что планетные системы нередко бывают крайне нестабильны, и планеты в результате различных коллизий могут быть отброшены далеко в сторону от звезды, в окрестности которой родились», – отмечает исследователь из НАСА Дэвид Беннетт. Особенно часто эта судьба ожидает небольшие планеты. Сформировавшиеся рядом с ними планеты-гиганты, подобно кукушатам, вышвыривают их из «родного гнезда».
Планетолог Дэвид Стивенсон из Калифорнийского технологического института считает, что на одиноких планетах размером с нашу Землю вполне может существовать вода в жидком виде, если они окружены водородной атмосферой, сберегающей тепло. «В таком случае температура их поверхности лежит выше точки замерзания воды, и там могут простираться целые океаны», – отмечает он в интервью журналу «Nature». И на таких планетах даже может сохраниться жизнь, полагает Дэвид Беннетт.
Пока астрономам остается лишь строить догадки, ведь имеющаяся в их распоряжении аппаратура практически не позволяет выявить планеты, сравнимые по своим размерам с Землей и тем более Меркурием или Марсом. Как правило, сейчас удается обнаруживать лишь гигантские экзопланеты. Поэтому небольшие небесные тела, блуждающие по просторам космоса вдали от звездных систем, еще долгое время могут оставаться незамеченными.
Очевидно, с появлением космических телескопов нового поколения уже в следующем десятилетии, в начале 2020-х годов, астрономы начнут планомерный поиск планет, отбившихся от своих звезд. А что если и в окрестности Солнца когда-то располагались не только восемь известных нам сегодня больших планет, но и другие планеты, которые не удержались на своих орбитах и покинули Солнечную систему? Этакие «Фаэтоны», полетевшие не к Солнцу, а на огонь далеких звезд?
А кстати, могут ли одинокие планеты перелетать из одной галактики в другую? В 2010 году астрономы обнаружили уникальную планету HIP 13044b. Похоже, она сформировалась за пределами Млечного Пути, отмечают исследователи на страницах журнала «Science». Эта планета весит примерно в 1,25 раза больше, чем Юпитер, и обращается вокруг очень старой звезды HIP 13044, которая уже превратилась в красного гиганта. Обе они – и планета, и звезда – входят в состав карликовой галактики, поглощенной Млечным Путем от 6 до 9 миллиардов лет назад. Так что вместе с подобными галактиками, которые пополнили наш «звездный остров», нам достался и мир их планет. И, скажут оптимисты, инопланетяне их тоже.
Загадки черных дыр
Черные дыры настолько загадочны, что даже Альберт Эйнштейн не верил в то, что их можно отыскать где-то в космической дали. Само их существование, впрочем, следовало из его теории относительности. Однако на протяжении полувека черные дыры считались чем-то вроде блистательной и безответственной игры ума. Результатом математических экзерсисов, которые не имеют отношения к реальности.
В 1916 году немецкий астроном Карл Шварцшильд, анализируя эту теорию, сделал поразительное открытие: на определенном расстоянии от звезды время и пространство… могут меняться ролями. Пространство становится временем, а время – пространством. Во всяком случае, так гласили сухие математические формулы. Эти метаморфозы приключаются лишь со звездами, чей радиус крайне мал. Например, объект, масса которого равна массе Солнца, должен сжаться до радиуса, равного трем километрам, – только тогда он минует эту магическую границу превращений. Для Земли «радиус Шварцшильда» составляет всего 9 миллиметров. Но вряд ли в природе существуют столь крохотные тела, наделенные громадными массами. Этим все и успокоилось. На время.
Существование черных дыр следовало из теории относительности
Между тем было уже известно о существовании необычайно компактных звезд большой массы – «белых карликов». В 1930 году некий молодой человек, Субрахманьян Чандрасекар, путем вычислений установил, что звезды, чья масса не превышает 1,4 массы Солнца, в конце своей жизни превращаются в белых карликов размером с нашу планету. Что касается более массивных звезд, то под действием собственной силы тяжести они вроде бы должны неудержимо сжиматься. Процесс, который и вообразить трудно. Недаром ряд известных ученых высмеял гипотезу индийского студента, который впоследствии стал видным астрофизиком и лауреатом Нобелевской премии.
Однако в 1939 году американский физик Роберт Оппенгеймер вместе со своим учеником Хартлендом Снайдером доказали, что если масса звезды слишком велика, то никакая сила не способна остановить гравитационный коллапс. Идея Чандрасекара подтвердилась. Загадочный объект, полученный Шварцшильдом путем математических выкладок, обрел физический смысл.
Когда звезда сжимается, то в непосредственной близости от нее сила ее притяжения возрастает до невероятной величины. Пространство вокруг такой звезды все сильнее искривляется. Как только ее радиус становится меньше радиуса Шварцшильда, пространство, окружающее ее, смыкается, становится непреодолимым барьером. Никакое излучение, никакие частицы не могут вырваться из этой гравитационной ловушки. Звезда отгораживается от всего мироздания. Она становится невидимой. Как говорят астрофизики, она скрывается за «горизонтом событий», который можно представить себе в виде воображаемой сферы, что окружает «застывшую звезду» – черную дыру, как ее станут именовать впоследствии (это название придумал в 1967 году американский физик Джон Арчибальд Уилер). Радиус горизонта событий никогда не уменьшается. Черная дыра может только расти.
Лишь в 1971 году была обнаружена первая предполагаемая черная дыра – Cygnus X-1 в созвездии Лебедя. В наши дни астрофизики убеждены, что в центральной части большинства галактик нашей Вселенной притаилась громадная черная дыра – словно неумолчное сердце этого многозвездного (многоклеточного, сказал бы мистик) организма. Есть она и в центре Млечного Пути. Но механизм зарождения подобных монстров пока еще не ясен.
Возможно, их зародыши появились уже в первые доли секунды после Большого взрыва. Их масса могла быть очень малой. Быть может, галактики с самого начала формировались вокруг этих неоднородностей? По другой гипотезе, черные дыры возникли в первые сто миллионов лет из случайных колебаний плотности в первородном газе. Быть может, черные дыры и звезды зарождаются практически по одному и тому же сценарию? Молекулярные облака сжимаются под действием гравитационных сил. Малые облака образуют звезды, а большие – громадные черные дыры. А может быть, сверхмассивные черные дыры зарождались в результате коллапса крупных звездных скоплений, возникших посреди галактик? А не образовались ли они при столкновениях первых галактик? Хотя подобные катастрофы все же редки, а количество черных дыр во Вселенной – поразительно велико.
Наблюдается интересная закономерность. Чем больше галактика, тем крупнее черная дыра, притаившаяся посредине, а значит, тем меньше шансов на зарождение новых звезд. Очевидно, черные дыры не позволяют галактикам беспредельно расширяться; они придают им форму – очерчивают их, подобно тому, как черная дыра смерти отчетливо очерчивает личность человека.
«Изучая галактики, мы убедились, что масса черных дыр, расположенных в их центральной части, пропорциональна массе их звезд, – отмечает французский астроном Эмануэль Дадди. – Но мы не понимаем, почему». Похоже, что возникновение звезд и галактик, с одной стороны, а также черных дыр – с другой, протекало параллельно, что удивляет исследователей. По-видимому, в раннюю эпоху существования нашей Вселенной в ней наблюдались какие-то процессы, которые и привели к одновременному развитию и галактик, и черных дыр.
И почему все-таки масса галактики непременно соотносится с массой расположенной посреди нее черной дыры? Откуда галактике известно, сколько в ней звезд? И откуда она знает, из скольких звезд должна состоять, чтобы уравновесить силу притяжения черной дыры? Как отмечает американский астроном Марк Дикинсон, «мы видим, что существует связь между черными дырами и галактиками, в которых они располагаются, но мы не понимаем, что обуславливает эту связь». Очевидно, черные дыры и галактики сообща развивались и каким-то образом «знали» друг о друге. Но как это происходило? На этот вопрос ученые пока не могут дать ответ.
В последние годы астрономы, используя космические обсерватории «Чандра» и «Спитцер», ведут перепись черных дыр. Как удалось установить, масса некоторых из них, расположенных в центре галактик, в миллиарды раз превышает массу Солнца. Так, в 2009 году американские астрономы Йенс Томас и Карл Гебхардт определили, что черная дыра в галактике М 87 весит в 6,4 миллиарда раз больше, чем Солнце. Теоретически масса подобных объектов может превышать 10 миллиардов солнечных масс.
Что же касается «классических» черных дыр, описанных Оппенгеймером и Снайдером, то есть объектов, которые образовались в результате коллапса звезды, то они гораздо меньше тех, что простерлись в центре галактик. Их невозможно наблюдать непосредственно. Лишь по косвенным признакам можно догадаться об их присутствии в той или иной части космоса.
Допустим, черная дыра притаилась рядом со звездой, образуя вместе с ней двойную звездную систему. Тогда она выдает себя мощным рентгеновским излучением, которое возникает, когда с поверхности звезды в ее сторону переливается, стремительно разогреваясь, поток вещества. Подобные двойные системы наблюдаются не только в нашем Млечном Пути, но и в соседних галактиках. Впрочем, астрономы, изучающие источники рентгеновского излучения, не всегда могут отличить нейтронную звезду от черной дыры.
Самая маленькая черная дыра была открыта в 2008 году. Ее диаметр составил всего 24 километра, а масса лишь в 3,8 раза превысила солнечную массу. Астроном из НАСА Николай Шапошников обнаружил ее в созвездии Жертвенника, на расстоянии 10 тысяч световых лет от Земли. Вместе со звездой по имени XTE J1650—500 она образует двойную звездную систему. По расчетам, минимальная масса черной дыры должна составлять примерно 1,7–2,7 солнечные массы.
Что находится в центре млечного пути?
Еще в начале ХХ века астрономы полагали, что Солнце пребывает неподалеку от центра некой космической туманности, по ту сторону которой простирается беззвездная пустота – «великий Тихий океан космоса». Лишь точные наблюдения за перемещениями звезд помогли американскому астроному Харлоу Шепли в 1918 году определить, где находится подлинный центр нашей Галактики. Как оказалось, он расположен позади темного облака, лежащего в созвездии Стрельца.
На фотографиях, сделанных в сантиметровом диапазоне, перед нами проступает некий расплывчатый сгусток шириной в несколько световых лет. Именно эти клубы ионизованного газа, окружающие центральную часть Галактики, мешали астрономам вглядеться в нее – подобно тому, как атмосферная рябь не дает наблюдать за отдаленными звездами с поверхности нашей планеты. «Рябь», заслоняющая от нас центр Галактики, рассеивается по мере того, как мы смещаемся в коротковолновую часть диапазона наблюдения. Мы все отчетливее видим облако, в котором газовые массы, кружа по спирали, устремляются куда-то в центр, где сияет яркое пятно.
С повышением разрешающей способности телескопов удалось точнее оценить размеры этого объекта, который поначалу представлялся лишь облаком, испускавшим мощное радиоизлучение. Начиная с 1992 года, астрономы исследовали в инфракрасном диапазоне окрестности Стрельца А* (Sagittarius A*, или Sgr A*). На сделанных фотографиях (инфракрасное излучение в определенном диапазоне может пробиться сквозь облачную завесу) отчетливо видны стайки звезд, кружащие возле Sgr A*. Их траекторию можно определить, а значит, и вычислить ту неимоверную силу, что притягивает их к себе. Эта сила так велика, что даже скопления нейтронных звезд было бы недостаточно, чтобы создать такое гравитационное поле.
Изображение звездного кластера Sgr A* в центре нашей Галактики
Наблюдения засвидетельствовали, что там, в центральной части Галактики, сосредоточена громадная масса вещества. Объяснить это можно было лишь наличием там черной дыры. Первоначально ее размеры оценили примерно в 2,7 миллиона солнечных масс. Измерения в инфракрасном и рентгеновском диапазоне показали, что этот объект поразительно быстро вращается.
Позднее, тщательно изучив траектории и скорость движения расположенных поблизости звезд, астрономы определили, что там, на участке диаметром «всего» 12 миллионов километров, простирается черная дыра, чья масса ориентировочно в 4,3 миллиона раз превышает массу Солнца.
Итак, теперь нам известно, что посредине нашей Галактики, на расстоянии 26 тысяч световых лет от Земли, расположена огромная черная дыра Стрелец А* – «ненасытная звездная смерть», пожирающая все, что приблизится к ней. Там, на небольшом участке пространства, скопилась такая масса вещества, что его хватило бы на миллионы звезд. И ведь когда-то многое в этом черном чреве Галактики было звездами. Прожив свою блистательную жизнь, все они исчезли в этом «мире ином». Уже первые наблюдения за этой областью Млечного Пути показали, насколько неуютно жилось бы там, если бы наше Солнце и впрямь пребывало в центре Галактики. Там, где одна катастрофа спешит настичь другую, где воцарился хаос и где гибель звезд – такое же будничное событие, как и гибель солдат на фронте. Там, где потоки космического излучения выжигают поверхность всех еще находящихся там планет. Нет, слово «неуютно» здесь не вполне подходит – «невозможно»!