Звездные планеты

Обнаруженные отклонения в движении звезд могли быть вызваны как несовершенством астрономических приборов, так и искажением воздушных масс. Да и уровень науки имеет значение:  например, в XIX веке открыли аномальную траекторию звезды, а в ХХ если она и подтвердилась, то могла быть вызвана наблюдением двойной системы, в которой пару звезд составляет тусклый сосед или черная дыра.

Сам XX век дал такое количество научных и технических открытий, что выделить влияние компьютерной техники не так просто. Изобретения влияли друг на друга, помогали снизить цену и расширить применимость тех же вычислительных машин. Научный мир получил сразу две теории – квантовую и теорию относительности. Общая теория относительности была подтверждена и, собственно, выбрана из альтернативных при затмении Солнца в 1919 г. Квантовые эффекты в числе прочих факторов поспособствовали развитию радиоастрономии: человечество получило диапазон частот в миллиарды раз шире, чем оптический, доступный астрономам  предыдущих эпох (здесь автор немного поиграл с цифрами и вынужден признать, что это не означает пропорционально возросшей эффективности таких наблюдений.) Цифровая фотография вкупе с программами распознания образов и возможностью автоматической обработки большого объема данных в итоге позволили открыть планеты у других звезд, на которых мы надеемся найти жизнь и, возможно, даже разумных существ.

Первые экзопланеты открывали старым проверенным астрономическим методом: при аномальном движении видимых тел искали тела, которые могли вызвать это отклонение. Довольно известным стало исследование, предсказывающее наличие планет у летящей звезды Барнарда. Однако современные исследования более точными методами не подтверждают их существования. Реальные шансы на открытие экзопланет появились только в конце 80-х, но перепроверка заявлений об их обнаружении привела к тому, что надежно зафиксировать экзопланету удалось только в 1991 г. Для этого должны были сойтись несколько факторов. Были установлены благополучные места для наблюдений, над которыми происходило наименьшее возмущение воздушных масс. Стали доступны оптические телескопы с достаточно большим зеркалом и радиотелескопы, работающие группами (что увеличивало их разрешающую способность, точность наблюдений). Цифровая техника достигла достаточно высокой детализированности и низкой зашумленности матрицы, при этом помогала автоматизировать обзор неба.

Первые экзопланеты

В начале 1990-х найти экзопланету можно было, только наблюдая лучевые скорости движения звезд. Излучение от звезды раскладывалось на составляющие по длинам волн. Так, свет, который нам кажется белым, при проходе через призму раскладывается на красный, оранжевый, желтый, зеленый и другие цветовые компоненты. Астрономы имеют типовые спектры для звезд различного класса. Космические светила развиваются по одним законам, и по их спектру можно узнать, на какой стадии они находятся. При движении источника света возникает доплеровское смещение спектра: все линии разом сдвигаются на некоторое расстояние. Грубо говоря, если звезда сильно излучала в желтом и слабо в зеленом диапазоне, то мы будем наблюдать сильное излучение в оранжевом и слабое – в желтом диапазоне. Форма спектра сохранится, а длины волн, на которых она излучает, сдвинутся. Если звезда отдаляется – свет от нее «покраснеет», если приближается – сдвинется в синюю часть спектра. Если, наблюдая за спектром звезды, астроному удается заметить его периодические изменения, а второй звезды или черной дыры в системе не наблюдается (тогда изменения можно было бы заметить и без спектрометрии), высока вероятность, что он открыл звездную систему с планетой.

По изменению скорости звезды восстанавливается ее траектория, потом предполагается, что колебания звезды связаны с притяжением к планете, и применяется метод фитинга (подстановки). Согласно законам Кеплера, пишутся уравнения для вычисления траектории звезды в зависимости от массы и удаленности планеты. Когда планета одна, можно обойтись достаточно простыми вычислениями, но даже в этом случае скорость движения звезды составляет метры в секунду. Любая ошибка в измерении скорости возрастает в разы при определении параметров планеты. В системах с несколькими планетами необходимы значительные вычисления, чтобы учесть все влияющие на движение звезды факторы. Астрономы обладают богатым арсеналом приемов приближенного вычисления, и потенциально можно решить такие задачи без применения компьютерной техники, но это долго, и погрешность может получиться непростительно большой. В любом случае вычисления на ЭВМ производятся быстрее. Поэтому возможность использования ИТ-ресурсов значительно упростила выявление параметров вне солнечных планет.

Измеряя лучевые скорости звезд, сначала удавалось обнаруживать только огромные (и тяжелые) газовые гиганты наподобие Юпитера, находящиеся близко к звезде. А человечество больше интересуют планеты землеподобного типа. Применение цифровой фотосъемки существенно облегчило труд астрономов – стало возможным наблюдать множество звезд и компьютерными методами искать среди них события, свидетельствующие о нахождении экзопланет. Совершенствование методов наблюдения и характеристик матриц позволило обнаруживать сверхземли – каменные экзопланеты примерно с таким же составом, как Земля, но диаметра в несколько раз больше.

Пара десятков планет обнаружена по наблюдениям за двойными звездами и пульсарами. Наличие экзопланет влияет на периодичность их вращения или прихода радиосигнала. По таким отклонениям можно вычислить параметры планет, но требуются весьма точные и тщательные измерения, так как и здесь воздействие этих космических тел на звезды очень мало.

Прямое наблюдение и затемнение

Еще раз повторимся, что при вышеуказанном методе ни одна из планет не была видна непосредственно, их присутствие выдавало движение звезд. Последующая проверка показывала, что оно вызвано именно планетой, а не другими факторами. В 2004 г. впервые непосредственно наблюдалась кандидатка в экзопланеты в инфракрасном диапазоне.

А в 2008 г. удалось увидеть их и в оптическом диапазоне. Свет от звезды HR 8799 был «вычтен» из картинки цифровым методом, что позволило увидеть сразу три планеты (сейчас уже четыре). Все они находятся не ближе 10 а.е. от звезды (1 а.е. – это 150 млн км), даже современная техника не позволяет заглянуть ближе: засветка от HR 8799 так сильна, что на ее фоне невозможно разглядеть отраженный свет планет. На любом цифровом изображении присутствует шум, и приходится некоторое время наблюдать за звездной системой, выделяя свет от звезд среди него. В том же году планету у звезды Фомальгаут наблюдали в телескоп Hubble – саму звезду при этом специально прикрыли физически, заслонкой. Видно даже диск, из которого образовалась планета – это даст ученым возможность уточнить теорию планетообразования.

Повышение чувствительности цифровой съемки и вывод в 2009 году на орбиту телескопа «Кеплер» превратили жизнь охотников за экзопланетами из ружейной стрельбы одиночными в ковровое бомбометание. Отсутствие атмосферы снизило количество помех, цифровая съемка и передача данных с телескопа позволяют постоянно пополнять базу данных о звездах. Одновременно  «Кеплер» наблюдает сразу 100 тыс. звезд. Процесс поиска и подтверждения существования экзопланет по времени сократился в разы – с нескольких лет до месяцев. Сейчас открыто около 700 экзопланет и еще 2000 кандидатов в таковые (далеко не все планеты наблюдаются непосредственно, а косвенные методы надо подтверждать). В частности, нашлась спутница и у одной из ближайших к нам звезд Альфа Центавра В. При этом началось открытие планет земного типа (сравнимых по размерам с Землей). Такие планеты ценны тем, что на них в первую очередь имеет смысл вести поиск разумных существ и пытаться наладить нацеленный обмен радиосообщениями.

Несмотря на возможность оптического наблюдения в космосе увидеть планеты на «Кеплере» маловероятно. Зато чувствительность его матриц позволяет заметить, когда планета проходит по диску звезды. Она закрывает небольшую часть звезды, излучение от светила падает на сотые доли процента, но этого достаточно для его обнаружения телескопом. Чтобы увидеть это падение излучения, надо, чтобы планета прошла между звездой и земным (или околоземным) наблюдателем. Вероятность такого расположения объектов мала, и мы видим их только благодаря тому, что цифровая техника способна наблюдать сразу сотни тысяч звезд. Как мы уже говорили, различить изображение планет на фоне шумов практически невозможно — необходимо наблюдать за системой, выделяя сигнал, и это тоже реально  поручить только компьютерным системам. Для выделения планет фактически используются технологии современной концепции Big Data – извлечения нужных данных и больших объемов информации. Кстати, несмотря на компьютерную обработку данных, остается место и человеку. Стандартные методы иногда не замечают планеты, и тут открывается поле для еще одного современного явления – краудфандинга, когда астрономы-любители могут помочь ученым, исследуя данные с телескопов.

Общая теория относительности (ОТО) Эйнштейна, о которой мы упомянули во вступлении, предсказывает отклонение траектории светового луча в гравитационном поле –  его «притягивают» массивные объекты. Как мы упомянули выше, ОТО была выбрана среди альтернативных теорий именно благодаря более точному предсказанию отклонения лучей. Теоретическими работами по учету этого явления занимались многие ученые, в частности, у нас в стране наиболее заметный вклад внес Алексей Владимирович Бялко. В конце 60-х он теоретически рассчитал эффект микролинзирования от единичных объектов. Сейчас стало возможным заметить микролинзирование от прохождения планет. Они также «притягивают» свет, и в какой-то момент их прохождения между далекой звездой и земным наблюдателем свет от них усиливается.  Без применения компьютерной техники такой эффект не только было бы трудно заметить, но еще и невозможно предсказать характеристики объекта, который его вызвал. Этот эффект позволяет обнаруживать даже маленькие планеты – размером с Землю и меньше, самые интересные с точки зрения поиска братьев по разуму.