А вы когда-нибудь задумывались, как найти планету в миллиардах и триллионах километров от нас? Как увидеть крошечного светлячка на фоне огромного прожектора? Как узнать, есть ли на планете, на которой не было даже зондов, жизнь? Об этом и многом другом расскажет кандидат физико-математических наук, астроном, Владимир Сурдин.
Оператор: Александр Захарченко.
Интервьюер и монтажёр: Сергей Гачин.
Дизайн: Ира Галенкова.
Стенограмма: Анастасия Макаренко.
Интервьюер: Владимир, давайте начнём с определения. Что такое планета?
Владимир Сурдин: Теперь для планеты очень точное определение дано в 2006 году. Международный астрономический союз собрался, в том числе для того, чтобы понять, где отсечь вот этот хвост. Всё более и более мелкие тела обнаруживались в Солнечной системе, и надо было отделить планеты от прочих, похожих на них, но всё-таки не совсем, тел.
И оказалось, что Плутон – это не совсем планета по многим параметрам. Прежде всего по массе, по форме орбиты. И решили так: планета – это тело, которое под действием своей гравитации может деформировать своё тело, это очень важно, то есть принять какую-то более-менее сфероидальную форму. Почему это важно? Раз гравитация такая, что она может сплющить, сформировать планету, значит там начинается внутренняя геологическая жизнь: разделяются слои, выделяются железное ядро, мантия, лёгкая оболочка.
То есть планета – это большой объект, внутри которого происходит какая-то эволюция, внутренняя жизнь, и он настолько большой, что рядом с ним похожих нет. Есть слишком маленькие – спутники. И он ими вполне руководит, управляет, а они на него почти не влияют. А так, чтобы две планеты на одной орбите конкурировали, и пересекались их орбиты – нет, так нельзя. А такого, собственно, и нет в Солнечной системе, планеты давно уже выяснили свои взаимоотношения, потолкались-потолкались, каждая нашла свой коридор в Солнечной системе, то есть свою орбиту и её окрестности, и на этом успокоились. Разделили пространство, как дети лейтенанта Шмидта. И вот сегодня планета – это тело, которое достаточно массивно, чтобы себя сформировать, округлить и очистить окрестности своей орбиты от прочих подобных или более мелких тел. Всё остальное уже не планеты. А что? Планеты-карлики, например, как группа похожих на Плутон. Плутон, Эрида, Церера – у нас 5 таких в Солнечной системе.
Где-нибудь ещё, наверное, они найдутся. И в других планетных системах примерно так же собираемся их определять. Массивное тело? Руководит жизнью вдоль своей орбиты, в окрестностях своей орбиты? Назовём это планетой. Но если это не наша, а у другой звезды, то экзопланетой, то есть внешней по отношению к Солнечной системе. Таких много найдено, у соседних звёзд у каждой третьей теперь почти обнаружены планеты. Планетные системы даже целые. Вот так правильно определили понятие «планета». Отделили и от звёзд, и от мелких тел. Ну от звёзд чем планеты отделены понятно – звёзды светят сами, а планеты отражённым светом. То есть у звёзд есть источник энергии, термоядерные реакции, а у планет этого источника нет. Вот Юпитер почти на границе между звёздами и планетами. Ну, скажем, если бы мы взяли в 15-20 раз более массивное тело, чем Юпитер, всё, это была бы уже звезда. Там бы начались термоядерные реакции.
Так что вот, в нашей Солнечной системе мы довольно чётко имеем границы со стороны больших тел – Юпитер, со стороны малых тел – Меркурий, формально самое маленькое. Меркурий, Марс – самые мелкие. Вот так мы определяем планеты.
Интервьюер: В 2019 году вручили премию за открытие экзопланет. Вот, собственно, хотелось узнать, как происходит вообще открытие планет, как они определяются?
Владимир Сурдин: Это долгая история. Это долгая, мучительная история. Астрономы всегда подозревали. Вот Джордано Бруно вообще горел на костре, провозглашая, что мир полон планетными системами, что, как тогда говорили, «миры есть и у других звёзд», но надо же было их обнаружить. Вот представьте себе, наша Земля перехватывает от Солнца одну миллиардную часть его света, да ещё не весь его отражает. То есть Земля в миллиарды раз тусклее выглядит со стороны, чем наше Солнце. Вот перед вами задача: фонарь, а рядом с ними светлячок, который в миллиарды раз слабее светит, вот попробуйте, когда фонарь вам в глаза бьёт, вот этого светлячка увидеть.
Это была почти неподъёмная задача, и астрономы это понимали, и искали какие-то обходные пути. Ну, например, планета обращается вокруг звезды, значит и звезда немножечко движется под действием притяжения планеты. Очень слабо, но всё-таки какое-то движение есть. Давайте смотреть на ближайшие звёзды и попробуем заметить их волнообразное движение, если вокруг них обращаются планеты.
Люди тратили на это иногда целую научную жизнь, всю карьеру. Вот Питер ван де Камп, был такой американский астрометрист, очень хороший. И когда наступила эпоха эйфории, когда космонавты полетели, когда роботы к планетам в начале 60х, ван де Камп объявил: «Я обнаружил звезду, у которой есть планета». Это одна из ближайших, вторая по расстоянию планетная система – это звезда Барнарда.
И ему поверили, потому что воодушевление было такое: «Ура, мы открыли планету!». Да, звезда Барнарда, кажется, колышется немножко на своём пути. Потом ученики ван де Кампа, его младшие коллеги, более аккуратно померив движение звезды Барнарда, сказали: «Нет, это ошибка». И нетрудно было ошибиться, потому что изображение звезды в телескопе – это такая медуза, постоянно меняющая свою форму, ведь атмосфера наша преломляет свет. А движения микроскопические надо было заметить.
Эти работы продолжаются. И когда-нибудь они приведут к успеху. Я думаю, скоро. Сейчас не с Земли, а из космоса с помощью космических телескопов наблюдают, сейчас летает Gaia – очень хороший инструмент, который тончайшие перемещения звёзд фиксирует. И он, наверное, найдёт таким методом планеты.
Но пока другие методы были разработаны, и они себя оправдали. Тот, за который дали Нобелевскую премию, был первым из них. И речь шла о том, чтобы попытаться заметить не движения звезды перпендикулярно нашему лучу зрения, а вдоль луча зрения, то есть от нас и к нам. Оказывается, наблюдая спектр звезды, то есть цветную полоску, где есть линии химических элементов, можно иногда заметить перемещения этих линий, связанные с эффектом Доплера. Когда звезда удаляется от нас, спектральные линии в красную часть спектра перемещаются. Когда приближается к нам – в голубую. В те годы, в 80-90е, когда эти работы начинались, точность измерения была примерно 1 км/с. Точнее скорость звезды померить было нельзя. Несколько астрономов взялись за то, чтобы улучшить качество аппаратуры. В частности, Мишель Майор и его младший коллега Дидье Кело в Швейцарии, а наблюдали они во французской обсерватории, они поняли, что спектрограф надо не вешать на телескоп (телескоп вращается, спектрограф дрожит, температура под куполом телескопа в башне всё время меняется, ночью холодно, днём тепло, спектрограф от этого страдает, там перемещаются оптические элементы, и точности измерения не получается). Они спрятали спектрограф в подвал обсерватории, где очень стабильные условия, а свет туда от телескопа направили через оптоволокно. И даже не заходили в эту комнату, где работает спектрограф, чтобы своим теплом, своим шагом, сотрясениями пола не мешать ему работать. И это оправдалось. Ну ещё были некоторые технические уловки придуманы. И это оправдалось. В сто раз повысилась чувствительность, то есть точность наблюдения, точность измерения скоростей звёзд. И, наконец, выяснилось, что одна из звёзд, пятьдесят первая созвездия Пегас, движется со скоростью около 13 м/с туда-сюда.
Значит амплитуда колебания этой звезды 13 м/с. Ну это скорость бега на стометровку, либо скорость велосипедиста при нормальной езде. Для звезды это почти стоять на месте. Но это удалось измерить. И оказалось, что вокруг этой звезды, с периодом около четырёх суток, обращается массивная (типа нашего Юпитера, даже побольше) планета. Это было неожиданно. Юпитер как далеко от Солнца, у него период обращения 12 лет. А тут за четверо суток вокруг своей звезды. Ну вот такая удача, так повезло астрономам. Буквально за пару недель они обнаружили этот факт, и дальше началось. Дальше все кинулись на эту проблему. Сегодня масса профессионалов ищет планеты разными способами, не только по спектрам, но и по эффектам взаимного затмения. Точнее сказать, прохождения планет на фоне своих родных звёзд. Планета, всё-таки, довольно крупное тело, и она заметную долю диска звезды может своим телом на некоторое время закрыть, когда на её фоне для нас – земных наблюдателей, проходит. И звезда чуть-чуть меркнет, чуть-чуть ослабляется её видимый блеск. И это можно, оказывается, заметить. Лучше из космоса, но иногда удаётся и с Земли.
И этот метод работает, и некоторые другие сейчас придуманы. То есть это большое направление астрофизики современной. Даже физики тут не много. Астрономии, я бы сказал, современной астрономии. Собственно, ничего особенно хитрого в смысле физики нет, а тут скорее высокая точность. Вот за что астрономию любят и хвалят? Говорят «с астрономической точностью» что-то сделано. Вот в данном случае это так. Именно с высочайшей точностью мы измеряем движение звёзд, либо яркость звёзд. И это позволяет делать такие важные открытия, как обнаружение экзопланет.
Интервьюер: Собственно, у нас в Солнечной системе есть твёрдые планеты земной группы, есть газовые гиганты, есть карликовые. А когда идет открытие какой-нибудь экзопланеты, как определяется, какой это тип планеты?
Владимир Сурдин: Трудно определяется. Если мы только факт существования планеты определили и заметили, как под действием её притяжения колеблется звезда, то можно определить только массу планеты. Больше о ней мы ничего не узнаем.
Интервьюер: Ни плотность, ничего?
Владимир Сурдин: Пока ничего. Если нам по случаю, вот так получилось, что её орбита наклонена к нам ребром, и мы видим, время от времени, как эта планета на фоне звезды проходит, тогда размеры её можно определить, насколько сильно она затеняет звезду. А зная массу и размер, мы можем среднюю плотность посчитать. Ну и тогда ясно, если она там три-пять грамм на кубический сантиметр – это камень. Если порядка одного грамма на кубический сантиметр – это жидкость, то есть водяная, планета-океан.
Если ещё меньше, ну как на Сатурне, почти полграмма на кубический сантиметр, то значит большая часть объёма этой планеты – газ. Ну только таким способом. До некоторых пор только так можно было теоретически определять. Но недавно, с помощью больших телескопов, стали получать спектры света звезды, прошедшего сквозь атмосферу экзопланеты. И тогда в этом спектре остаются линии химических элементов, существующих в атмосфере планеты. И тут мы уже можем химический состав ну хотя бы атмосферы определить. Это уже первый шаг к тому, чтобы как-то понять её физическое состояние, какие газы там, может быть газы, пригодные для жизни. То есть постепенно-постепенно всё более и более детально мы эти планеты исследуем. Но надо честно сказать, до сих пор из четырёх с лишним тысяч открытых экзопланет большую часть мы не наблюдали. Мы никогда не видели их изображения, а только знаем об их существовании. Косвенно, либо по движению звезды, по затмению звезды телом планеты, но важно же сфотографировать планету. Конечно, её географию я не думаю, что мы когда-нибудь изучим. Как там материки и океаны распределены, это крайне сложно. Но состав химический и условия для жизни – в ближайшие годы для этого появятся очень хорошие возможности, создаются большие телескопы диаметром 30-40 метров. И с их помощью уже без особого труда можно будет исследовать газовый состав экзопланет.
Интервьюер: Как Вы нам уже говорили, что следующая премия, Нобелевская премия, будет за открытие биосферы...
Владимир Сурдин: Хотелось бы (смеётся).
Интервьюер: Есть ли сейчас какие-то наработки о том, как выглядит биосфера у экзопланеты?
Владимир Сурдин: Перед нами только один вариант жизни – наш, земной. Поэтому мы ищем те условия, которые для нас являются пригодными для жизни. То есть наличие узкого диапазона температур от 0 до 100 градусов по Цельсию, в котором есть жидкая вода, при нормальном атмосферном давлении, ну вода это среда для жизни. Может быть, вода – это даже единственно важный, как говорят, биомаркер. Потому что в истории нашей Земли были первые два миллиарда лет, когда в атмосфере не было кислорода (ну, по крайней мере, в таком количестве, чтобы нормально дышать), и ничего, жизнь развивалась и достигла большого уровня, там многоклеточные были организмы. В следующие два миллиарда лет появился кислород – это уже продукт жизнедеятельности тех первых микроорганизмов. Ну и тут мы стали дышать этим кислородом. Так что откроем кислород в атмосфере далёкой планеты, ну хорошо, есть шанс, что там развитая жизнь. Но даже если не заметим кислорода, если там углекислый газ будет в атмосфере, то это ещё ничего не значит. Может быть, она не живая, как на Марсе сегодня, а может быть там есть уже живые существа, но им не нужен для жизни кислород, наоборот даже вреден, в нём всё горит. Поэтому биомаркеры, их много придумали: кислород, пары воды, углекислый газ, метан (как продукт жизнедеятельности, то, что мы и другие организмы выделяем из себя). Метан – очень важный биомаркер, мы его на Марсе уже нашли. Вот есть надежда, что там микробы дышат. Всё в совокупности – это почти надёжный указатель, что там есть жизнь. Но даже каждый из них по отдельности – это тоже намёк на присутствие живых организмов. Но я думаю, что это будет очень сложная работа. Почему? Если взять пригодные для жизни тела в Солнечной системе, то только в атмосфере Земли эти биомаркеры есть и жизнь есть. А ведь условия для жизни есть и на Марсе, и в атмосфере Венеры (в верхних слоях), и подо льдами спутников планет-гигантов – Европы, Титана, Энцелада.
А попробуй найти жизнь подо льдом на далёкой планете или под грунтом, как мы сейчас на Марсе ищем под грунтом. Когда вы туда прилетели, да, можно пробурить грунт, копнуть его и посмотреть, что там. А пока вы в телескоп издалека смотрите на это тело, найти жизнь под грунтом или под многокилометровым слоем льда проблема, мне кажется, неразрешимая. Не надо говорить неразрешимая, но очень сложная технически. Надо думать, как её решить.
Интервьюер: На далёкую перспективу?
Владимир Сурдин: Далёкая перспектива – это полёт к этим планетам. И я надеюсь, что она не такая далёкая. Потому что уже вот в наше время создаются первые зонды для полёта к ближайшим планетам у соседних звёзд. Это будут микроскопические зонды. Разгонять их будет не реактивный двигатель, а давление лазерного света, лазерного луча на небольшой парус световой.
Идея сильная, финансирование пошло на эту идею. Мы знаем имя миллиардера, Юрий Мильнер, который поддерживает своим капиталом эту работу. И есть надежда, что первые зонды ещё при нашей жизни отправятся и даже долетят до ближайших экзопланет. Ну вряд ли они будут копать грунт, слишком они маленькие, но посмотрят хотя бы с близкого расстояния в атмосферу и на континенты. А следующие уже будут с бурильными установками.
Интервьюер: Есть такие звёздные системы, где две звезды вращаются друг вокруг друга.
Владимир Сурдин: Таких много.
Интервьюер: Возможно ли там, теоретически, существование планет?
Владимир Сурдин: Я недавно увлёкся фантастикой китайского автора Лю Цысиня. Там первая книга из трилогии называется «Задача трёх тел» (https://book24.ru/~JXURt) и речь идёт о системе трёх звёзд, где есть обитаемая планета. Но жизнь на ней очень сложная, потому что звёзды движутся хаотически. Две звезды – нормально, вокруг общего центра масс устойчиво движутся. Три – со страшно сложными пируэтами. И я думаю, что в системе трёх звёзд всё-таки жизнь невозможна, очень сильно меняются условия, климат на планете.
А в системе двух звёзд, конечно, возможна. Либо рядом с одной, либо рядом с другой, либо вдалеке от этих двух так, чтобы обе они казались примерно одним светилом и равномерно освещали планету. Да, такие планеты найдены и условия на них, по-моему, вполне для жизни пригодны.
Интервьюер: Какое открытие лично Вы ждёте из разряда какой-нибудь интересной планеты? Звёздной системы?
Владимир Сурдин: Тут даже не успеваешь ждать, как они совершаются, потому что в наши дни, вот за последние годы, практически ежедневно открывается новая планета. 4 тысячи планет за 25 лет разделите, получится по одной планете в сутки. Не успеваешь даже смотреть, а что новенького открыли именно сегодня. Но, надо сказать, в Солнечной системе вот вдруг новые 20 спутников у Сатурна обнаружили на днях. Так что я даже загадывать не хочу. Просто изумляюсь каждый день, как много нового в астрономии открывается. Ну это результат техники. Мы долго накапливали технический потенциал, и теперь он вышел на тот уровень, когда открытия посыпались как из рога изобилия. И нам надо учиться осмысливать большие объёмы данных. Это очень сложно. Это работа вот Big Data, с большими данными. Сегодня наши студенты озабочены тем, чтобы обмозговать этот гигантский новый материал. Тут уже не о фантазиях идёт речь, а о том, чтобы понять и оценить то, что открыто в предыдущую ночь. Потому что в следующую ночь уже будут новые открытия.
Интервьюер: Спасибо!