Суспільство

  ▪   Олег Фея

Вир світів

фото: NASA/Wendy Stenzel
За що ми маємо бути вдячні телескопу «Кеплер»
Матеріал друкованого видання
№ 45 (573)
від 8 листопада

30 жовтня через вичерпання запасів пального NASA відключила телескоп «Кеплер». За майже 10 років роботи апарат спостерігав за 530 тис. зірок, у яких виявив 2662 планети, а також більше ніж 4 тис. кандидатів у планети. Робота «Кеплера» розширила наші знання про світи біля інших зір: наразі вважається, що в нашій галактиці близько 100 млрд планет, із яких 20% схожі на Землю.


Спекуляції довкола наявності планет в інших зоряних системах почалися ще з ХІХ століття, але перші екзопланети були відкриті лише в 1992 році. Польський астроном Александр Вольщан із канадцем Дейлом Фрейлом опублікували статтю про планетну систему пульсара PSR 127+12. Вони помітили коливання частоти сигналу від пульсара й зробили висновок про дві планети, у кілька разів більші за Землю, що обертаються навколо нього. Пульсар — нейтронна зірка, залишок від тієї, що колись існувала. Найімовірніше, ці планети виникли вже після вибуху наднової, зі скинутих нею шарів. А як щодо систем, схожих на нашу?


У 1995 році працівники Женевського університету Мішель Майор і Дідьє Квелоц знайшли планету біля «нормальної» зірки сонячного типу — Пегасу 51. Екзопланета Пегас 51b (літерою a позначають зірку, планети починаються з b) належить до класу «гарячих Юпітерів» — велетенських газових планет, що обертаються дуже близько до своєї зірки. Важить щонайменше з пів-Юпітера, його верхні шари розпечені до 1300 °С, а рік там триває лише чотири земні дні.
Астрономи використали метод Доплера, що допоміг згодом відкрити ще 685 планет. Метод ґрунтується на ефекті, відомому з XIX століття. Якщо зірка віддаляється від нас, довжини її світлових хвиль збільшуватимуться, а її спектр зміститься в червоний бік. Наприклад, якщо жовта зірка швидко віддаляється, вона матиме вигляд червоної. У разі зближення спектр переміщається в синій бік. Якщо зірка має планетну систему, вони обертаються довкола спільного центру мас. Тому вона то трохи віддаляється, то трохи зближається з нами. За цим коливанням і можна визначити наявність планет, а також їхню масу.

 

Читайте також: SpaceX запустила ракету Falcon 9 з космічним вантажним кораблем Dragon


Пегас 51b мав велике значення — тепер можна було сміливо заявити, що Сонячна система не унікальна, а планети взагалі звичайні об’єкти у Всесвіті. Відкриття започаткувало новий напрям науки — екзопланетологію. У 1999 році біля зірки Іпсилон Андромеди знайшли одразу три планети — всі газові гіганти. Тобто планети гуртуються не поодиноко. Проте з першими відкриттями прийшло й певне розчарування. Навряд чи якесь розвинене життя виникне в розпеченій атмосфері «гарячого Юпітера». Як щодо маленьких планет, схожих на Землю? Якщо вони є, то як їх детектувати?


Це завдання прекрасно вирішує метод транзитної фотометрії. Коли екзопланета проходить між зіркою та споглядачем, яскравість зірки трохи зменшується, адже частина її закрита планетою. Метелика вночі важко вгледіти, але, пролітаючи повз ліхтар, він стає видимим. Прохід планети по диску зірки називають транзитом, від цього й пішла назва методу. Коливання яскравості мають бути періодичними — тоді можна напевне сказати, що ми маємо справу саме з планетою, й обчислити період її обертання.


Планета розміром із Землю, пролітаючи повз схожу на Сонце зірку, зменшить її яскравість лише на 0,008%. Але цього достатньо, щоб її «зловити». А також довідатися багато інформації про неї. Розміри зірок астрономи встановлюють досить точно. Тому за зменшенням яскравості можна дізнатися, яку частину площі зірки затуляє планета, і вирахувати її діаметр. Якщо ж до обрахунків додати метод Доплера, то ще й оцінити масу планети. А знаючи масу й розмір, обчислити її густину. Землеподібні планети в кілька разів щільніші, ніж розріджені газові гіганти. Тому астрономи точно відділяють одні від інших. Кожна зірка випромінює світло на різних довжинах хвиль. Якщо в планети є атмосфера, ці хвилі поглинатимуться неоднаково залежно від наявних там газів. Так установлюють її хімічний склад. Наприклад, дізнаються, чи є в атмосфері водяна пара, кисень, вуглекислий газ. І це ще не все! Астрономи встановлюють спектр зірки, коли планета ховається за нею, порівнюють зі спектром, коли вона видима, і визначають її температуру.

 

Читайте також: Сонячні спалахи та магнітні бурі


Ось так завдяки спостереженням за транзитом планет можна дізнатися їхній розмір, масу, густину, склад атмосфери, температуру. І саме ці дані протягом майже 10 років збирав «Кеплер». Звичайно, у транзитної фотометрії є проблеми. Необхідна умова — для транзиту планета має перебувати точно між нами й зіркою. Таке трапляється надзвичайно рідко, тому, спостерігаючи за 550 тис. зірок, «Кеплер» відкрив лише кілька тисяч планет. До того ж деякі орбіти завеликі, тож за зірками доводиться спостерігати довго, щоб побачити періодичність транзитів.


Ідея телескопа належить працівникові NASA Вільяму Борукі. Ще з 1980‑х років він обґрунтовував можливість відкриття екзопланет методом транзитної фотометрії. Починаючи з 1992‑го подав на фінансування чотири проекти космічного телескопа для пошуку планет розміром із Землю й отримав лише відмови. На той час екзопланети були ще невідомі й NASA не хотіла ризикувати сотнями мільйонів доларів заради проекту з примарними цілями. Пегас 51b усе змінив, і в 2001-му космічна агенція взялася за розробку місії. 7 березня 2009-го з мису Канаверал «мисливець за планетами» стартував у свою десятирічну подорож, а вже через місяць зробив перші знімки.
Про перше гучне відкриття команда місії сповістила 10 січня 2011-го. Планета Kepler-10b лише в 1,4 раза більша за Землю, у 4,5 раза масивніша, має густину 8,8 г/см3 (що перевищує густину заліза). Її зірка — старий жовтий карлик за 564 світлові роки від Сонця. Планета схожа на пекло: за температури 1500 °С навіть залізо на ній має перебувати в рідкому стані, а рік там триває менш як одну земну добу. Хоча для життя вона не придатна, однак стала яскравим свідченням наявності відносно невеликих екзопланет, відмінних від газових гігантів.

 


У 2013 році «Кеплер» зробив ще гучніше відкриття. Планети Kepler-62e та Kepler-62f можуть мати вигляд вічного курорту. Вони належать до «надземель» — схожих за складом на Землю планет, до 10 разів масивніших. Моделювання показують можливість існування на них теплого рідкого океану. Обидві містяться в жилій зоні своєї зірки. Жила зона — це відстань, на якій планета отримує достатньо тепла для збереження рідкої води. Занадто далеко вода замерзне, а близько — випарується. Kepler-62e отримує на 20% більше світла, ніж Земля, а її придатність для життя залежить від складу атмосфери й тиску на поверхні. Середня температура за різними моделями варіюється від 17 °С (у Землі 15 °С) до 77 °С. Від теплого океану без полярних шапок до сильного парникового ефекту. Kepler-62f має ще кращий вигляд. Опубліковане в червні дослідження вказує на сталий нахил осі планети, що свідчить про можливі зміни пір року.

 

Приміром, нахил осі Марса змінюється на 60°, що робить його клімат нестабільним. Нахил Землі сталий завдяки Місяцю, а от що стабілізує Kepler-62f, невідомо.  Ще кращий кандидат для існування життя — Kepler-186f, про відкриття якого оголошено у квітні 2014 року. Масою та розміром планета близька до Землі, перебуває в жилій зоні червоного карлика в сузір’ї Лебедя. На сьогодні в доробку «Кеплера» сумарно 361 підтверджена екзопланета й кандидати в них у жилій зоні. У Галактиці є щонайменше 20 млрд таких планет. Їх знаходять цілими системами, як-от TRAPPIST-1 із максимум шістьма планетами в жилій зоні.

 

Читайте також: Наближені цілі


Проте це не обов’язково означає їхню придатність для життя. У найближчої до Сонця зірки — Проксими Центавра — є екзопланета масою 1,3 маси Землі. Вона хоч і міститься в жилій зоні, але завжди повернута до зірки одним боком, як Місяць до нас, що майже виключає наявність будь-якого життя.


«Кеплер» також підкинув велику загадку астрофізикам і поціновувачам фантастики. Яскравість «зірки Табіти», названої на честь астронома Табіти Бояджан, зменшується на 22%. Жодна планета не призведе до подібної аномалії. Науковці запропонували низку гіпотез: рій комет, хмара космічного пилу, нестабільність самої зірки. Та в пресу все одно проникли чутки про «рій Дайсона» — інопланетну споруду, що акумулює енергію цілої зірки для надрозвиненої цивілізації.
Для обробки велетенського масиву даних «Кеплера» науковці запустили кілька проектів «громадянської науки». Сайт Planet Hunters пропонує всім охочим спробувати себе в пошуку екзопланет. Для цього він надає реальні графіки зміни яскравості зірок. У фантастичній комп’ютерній грі Eve Online гравці також вишукують планети, за що отримують ігрові бонуси й паралельно допомагають науці.


Відключення телескопа не означає, що науковці залишаться без нових даних щодо екзопланет. 18 квітня цього року ракета Falkon 9 компанії SpaceX вивела на орбіту телескоп TESS, що є прямим нащадком «Кеплера». Він має дослідити методом транзитної фотометрії більше ніж 500 тис. зірок, віднайти щонайменше 20 тис. екзопланет, із яких 70 міститиметься в жилій зоні. Ще сучасніший «Джеймс Вебб», названий на честь другого керівника NASA, розпочне дослідження 2021 року. Його ціллю стануть холодні езкопланети, що містяться далеко від своїх зірок. До того ж він зможе детектувати навіть їхні супутники. А його наступник ATLAST прицільно шукатиме життя на інших планетах через ретельне дослідження їхніх атмосфер. І навіть фотографуватиме їх!


Коли 35 років тому Вільям Борукі задумував свій проект, не була відома жодна планета поза Сонячною системою. Тепер вважається, що планет у Галактиці більше, ніж зірок. І серед них чимало потенційно придатних для життя. А самі зіркові системи значно відрізняються від нашої як за розмірами планет, так і за їхнім розташуванням та природними умовами. І саме «Кеплер» наповнив нашу Галактику цими світами.