Глава 10. Татуин и неразбериха с двойными системами

 

Снова и снова мы видим, что наука более странная и причудливая, чем вымысел.

ДЖОН НОЛЛ

 

 

Изучение экзопланет начиналось с самых парадоксальных открытий. Первые экзопланеты были найдены в 1992 году на орбите вокруг пульсара PSR 1257+12. Первой звездой солнечного типа, у которой обнаружили планету, стала 51 Пегаса. Попытки поиска экзопланет предпринимались и раньше. О революционных открытиях заявляли и Питер ван де Камп, охваченный фанатичной верой в существование экзопланеты у звезды Барнарда, и Гордон Уокер с Брюсом Кэмпбеллом, заявившие в 1988 году, что у двойной звезды Гамма Цефея есть компаньон планетарной массы. Доказательства, собранные ван де Кампом, не убедили астрономическое сообщество, а доказательства Уокера и Кэмпбелла в конечном счете не убедили самих Уокера и Кэмпбелла[50].

Через 15 лет открытие Уокера и Кэмпбелла подтвердится и разрушится еще одно предубеждение – о невозможности существования экзопланет в двойных звездных системах. Гамма Цефея – это находящаяся на расстоянии всего 45 св. лет от Земли двойная звезда в созвездии Цефея. Первый компаньон системы – Гамма Цефея A – оранжевый субгигант в полтора раза массивнее Солнца, вторая звезда – Гамма Цефея B  – красный карлик, вращающийся вокруг первой звезды по вытянутой орбите на расстоянии 22 а. е. (что немного больше, чем орбита Урана, 19 а. е.). Изучая эту систему, Уокер и Кэмпбелл получили кривую радиальной скорости Гаммы Цефея A. Они обнаружили, что эта кривая раскладывается на сумму двух синусоид: с первой все ясно – это долгопериодическое движение, обусловленное взаимодействием Гаммы Цефея A со своим звездным компаньоном, а вторая, соответствующая короткопериодическим колебаниям звезды, имела неизвестную природу. Уокер и Кэмпбелл решили, что лучшее объяснение для второй кривой – наличие планеты-гиганта на орбите вокруг Гаммы Цефея А. Но уже в 1992 году Уокер опубликовал статью-опровержение.

 

Рисунок 15. Система Kepler -16 в представлении художника

 

Наблюдения за двойной звездой продолжались. В 2003 году после обработки данных, собранных за 20 лет наблюдений Гаммы Цефея, Арти Хатзес с коллегами пришел к выводу, что у звезды действительно есть планета-спутник с периодом обращения 2,5 года. Этот компаньон оранжевого субгиганта как минимум в два раза массивнее, чем Юпитер, а большая полуось его орбиты в два раза больше радиуса орбиты Земли83. Будь у Уокера и Кэмпбелла больше статистики, планета Гамма Цефея A b стала бы первой обнаруженной экзопланетой, а сами ученые вошли бы в историю как первооткрыватели.

За годы поиска экопланет было совершенно множество открытий планет в двойных и даже тройных системах. Планеты в кратных системах (то есть состоящих из двух и более компонентов) находят часто, хоть и реже, чем у одиночных звезд. И в этом и заключается основной парадокс: согласно классической теории планетообразования, в кратных системах планет просто не может быть. Чтобы понять всю сложность проблемы, предлагаю сосредоточиться на процессах формирования планет в тесных двойных системах. Но для начала я немного расскажу о том, что это, собственно, за зверь такой – двойная звездная система.

Системы, состоящие из двух гравитационно связанных звезд, – частое явление в Галактике. На самом деле большинство звезд главной последовательности входят в кратные системы. Эти системы очень важны в астрофизике. Измерение периода обращения звезд друг относительно друга дает возможность найти их массу – одну из важнейших характеристик звезд. Кратные звезды формируются, когда протопланетный диск по каким-либо причинам распадается на два или больше фрагментов. Так как фрагментация диска может произойти по самым разным сценариям, конфигурации гравитационно связанных звезд получаются довольно интересными. Особенно красивы системы, состоящие из двух звезд с приблизительно равными массами. В этом случае две звезды, как в вальсе, кружатся вокруг центра масс системы, то сближаясь, то отдаляясь в пространстве. Иногда вокруг одной или обеих звезд вращаются еще звезды, и вокруг тех, в свою очередь, тоже могут вращаться звезды. К настоящему моменту известна только одна система, обладающая такой сложной тройной иерархией – состоящая из пяти звезд Gliese 644. Чаще звезды имеют двойную иерархию, порой сложную. Тут нельзя не вспомнить BD −22º5866 – объект в созвездии Водолея, состоящий из двух пар звезд, вращающихся друг относительно друга.

Чем сложнее кратные системы, тем реже они встречаются. Это связано с тем, что чем сложнее система, тем, как правило (но не всегда), легче ее разрушить. Орбиты в таких системах часто неустойчивы. Под устойчивостью орбиты здесь нужно понимать сохранение неизменными в течение больших промежутков времени основных характеристик орбиты (величины большой полуоси, эксцентриситета и наклона орбиты). Это условие возможно тогда, когда гравитационные возмущения от других тел малы и не оказывают особого влияния на орбитальное движение. Если же возмущения велики и характеристики орбиты быстро меняются непредсказуемым образом, то говорят, что орбитальное движение неустойчиво[51]. Возмущающие силы в нестабильной системе могут даже выталкивать тело из системы и приводить к его столкновению с другими телами.

В 1886 году математик и астроном Генрих Брунс доказал, что описание периодического движения трех взаимодействующих тел, в отличие от аналогичной задачи для двух тел, не имеет общего решения. Это означает, что кратная физическая система с числом компонентов больше двух должна обладать рядом специфических условий, чтобы долгое время оставаться устойчивой, а общую формулу для этих условий написать принципиально невозможно. Все, что остается с тех пор ученым, – искать частные решения.

Значительного прогресса в поиске стабильных траекторий трех тел, которые сколько угодно могут вращаться друг относительно друга, достигли в 2017 году китайские ученые, с помощью компьютерного моделирования обнаружившие сразу более 600 типов орбит84. Но решения, к которым они пришли, являются довольно экзотическими: трудно представить настолько сложные звездные орбиты. Чаще всего, если где-либо в Галактике образуется кратная система более чем из двух звезд, она состоит из звезд с сильно различающейся массой и имеет иерархическую структуру. Как вы помните, Галилей производил наблюдения двойной системы звезд Мицар и Алькор в созвездии Большой Медведицы для измерения их параллакса. Сегодня мы знаем, что Мицар является четырехкратной звездной системой, состоящей из двух пар звезд, вращающихся друг относительно друга, а Алькор – двойной звездой.

Но вернемся к экзопланетам. В этой главе я буду говорить в основном об экзопланетах в двойных звездных системах. Образование планет в системах большей кратности на качественном уровне происходит аналогично.

Сообщение об обнаружении планеты в двойной системе Гамма Цефея научное сообщество восприняло с долей скептицизма. Астрофизики понимают, что околозвездные диски, в которых идут процессы формирования планет, у двойных звезд должны иметь более сложную структуру. В зависимости от расстояния между звездами эти диски могут формироваться возле каждой из звезд, только у одной из них или у обеих звезд сразу. Особый интерес, в силу относительной простоты, представляют двойные системы, расстояние между звездами в которых невелико настолько, что порой может происходить перетекание вещества с одной звезды на другую, и которые, вследствие своей компактности, имеют общую планетную систему, – их называют тесными двойными системами. Протопланетные диски вокруг таких систем практически аналогичны тем, что наблюдаются у одиночных звезд (за исключением небольшой внутренней области).

Чем двойная система опасна для протопланетного диска и формирования планет? Все дело в неоднородности ее гравитационного поля. Околозвездный газопылевой диск в молодой двойной системе стремится вытянуться вдоль оси, соединяющей обе звезды. Этот деформированный диск вращается вокруг центра масс системы быстрее, чем звезды-компаньоны вращаются друг относительно друга. Вечно отставая, звезды тормозят вращение близлежащего газа, скорость газа падает, и он аккрецирует на центр. Данное явление получило название «усечение протопланетного диска». Если протопланетный диск изначально маленький, он полностью разрушается системой, если же диск имеет бо́льшую протяженность, то усечение затрагивает только внутренние его части, оставляя в относительном покое те, на которые звезды уже не оказывают деформирующего влияния. Таким образом, усечение протопланетного диска уменьшает запас времени для формирования планет, близких к звездам. К тому же чем меньше расстояние между звездами, тем горячее протопланетный диск и тем сложнее идут в нем процессы конденсации газа и роста пылевых частиц. Согласно данным, полученным с помощью телескопа «Спитцер», между одиночными и двойными звездами, расположенными на расстоянии от 10 а. е. друг от друга, нет никаких статистических различий в росте пылевых частиц на начальных этапах эволюции85. Однако в системах с бо́льшим расстоянием между звездами орбиты планетезималей должны быть неустойчивы. И действительно, чем больше расстояние между звездами, тем реже в системе находят экзопланеты.

Любой анализ условий на поверхности экзопланеты начинается с выяснения параметров ее орбиты. Если планета находится в двойной системе, необходим анализ динамической эволюции системы трех тел, что уже является весьма непростой задачей. В 1983 году Рудольф Дворак из Университета Вены предложил разделить всевозможные конфигурации устойчивых периодических орбит экзопланет на два типа: S -тип, если экзопланета вращается только вокруг одной звезды в двойной системе, и P -тип[52], если она вращается сразу вокруг обеих (во вселенной «Звездных войн» планета Татуин имеет орбиту P -типа).

 

Рисунок 16. Схематичное изображение орбит S – и P -типов в двойных системах

 

Когда Джордж Лукас писал сценарии для первых фильмов своей культовой эпопеи, он, наверное, не мог и представить, что поколение, выросшее на приключениях Люка Скайуокера и Дарта Вейдера, однажды начнет искать в небе настоящий Татуин – ну или что-то очень напоминающее Татуин. Надежда, что поиски не напрасны, появилась в марте 2011 года, когда была обнаружена экзопланета Kepler -16 b.

Первые доказательства существования этой экзопланеты обнаружили доктор Лоранс Дойл и Роберт Славсон, изучая кривые звездного блеска, полученные с помощью телескопа «Кеплер»86. Двойная звезда Kepler -16 находится на расстоянии 200 св. лет от нас в созвездии Лебедя и состоит из двух звезд – оранжевого и красного карликов, разделенных всего лишь 0,22 а. е.

В двойной системе «проседания» блеска могут наблюдаться не только тогда, когда происходит транзит планеты по звезде, но и когда звезды в процессе взаимного вращения загораживают друг друга от наблюдателя на Земле. Если из кривой блеска звезды Kepler -16 вычесть хорошо детектируемые потускнения, вызванные взаимным перекрытием звезд, останутся еще провалы блеска, свидетельствующие о наличии третьего объекта в системе. Удивительными оставались две вещи. Во-первых, следы транзитов третьего тела оказались непериодическими, а во-вторых, наблюдались разные изменения в суммарном блеске двойной звезды. Транзит по более крупному оранжевому карлику (первичный) вызвал падение блеска этой звезды на 1,7 %, в то время как вторичный транзит по красному карлику – на 0,01 %. Последовательность планетарных транзитов Kepler -16 всегда регистрировалась в следующем порядке: первичный – вторичный – вторичный – первичный – первичный – вторичный. Это стало уверенным доказательством существования объекта на орбите P -типа вокруг двух карликовых звезд.

Понять, является ли транзитный объект третьей звездой в системе или планетой, можно было бы, зная массу этого объекта. Фиксируя изменения в периодах обращения двух известных звезд друг относительно друга, Дойл и Славсон определили, что это тело весит почти как треть Юпитера и, следовательно, не может быть звездой. Ура! Экзопланета Kepler -16 b стала первым претендентом на то, чтобы считаться аналогом Татуина в нашей Вселенной. На пресс-конференции, посвященной открытию планеты, присутствовал Джон Нолл[53], который работал над несколькими эпизодами «Звездных войн», возглавляя отдел визуальных эффектов. Его слова по поводу совершенного открытия я сделал эпиграфом к этой главе, но, возможно, их стоило бы сделать эпиграфом ко всей книге: «Снова и снова мы видим, что наука более странная и причудливая, чем вымысел. Само существование обнаруженной планеты дает нам повод больше мечтать»[54].

Kepler -16 b находится недалеко от своих родительских звезд – большая полуось ее орбиты равна примерно 70 % расстояния от Солнца до Земли, что соответствует расстоянию, на котором в Солнечной системе находится Венера, а год на Kepler -16 b длится 229 земных суток. Если смотреть на звезды системы Kepler -16 с поверхности Kepler -16 b, то они будут сопоставимы по размеру с солнечным диском, видимым с Земли. Если на этой экзопланете есть жизнь, ее обитатели наверняка встречают захватывающие дух двойные рассветы и закаты, которых на Земле не увидеть никогда. Однако пришельцу с Земли на Kepler -16 b будет крайне некомфортно: средняя температура здесь –85 °C, а плотность планеты ненамного меньше плотности воды, и это, скорее всего, говорит о том, что Kepler -16 b состоит из каменно-ледяного ядра и обширной газовой атмосферы, что совсем не похоже на оригинальный Татуин.

Kepler -16 b таит в себе и еще одну загадку, которую нам до сих пор не удалось разгадать: судя по всему, существует некий механизм, стабилизирующий орбиту планеты, но до сих пор мы не можем понять, что это за механизм и как он действует. Исходя из компьютерных расчетов, стабильные орбиты в том регионе, где движется Kepler -16 b, существовать просто не могут: их разрушат приливные силы центральных звезд. А ближайшая стабильная орбита имеет радиус в семь раз больший, чем радиус орбиты Kepler -16 b. Почему же тогда эта экзопланета не была выброшена из системы? Ответа на этот вопрос мы до сих пор не знаем.

После обнаружения планеты Kepler -16 b были открыты еще десятки планет, вращающихся вокруг двойных звезд. Система Kepler -47 стала первой обнаруженной многопланетной двойной звездой с тремя газовыми гигантами. Именно Kepler -47 доказала астрофизикам, что многопланетные двойные системы и правда существуют.

Еще одним примером странной системы служит PSR B 1620−26. Эта двойная звезда состоит из довольно экзотических компаньонов: пульсара и белого карлика, разделенных расстоянием в 1 а. е. Что такое пульсары и чем они отличаются от нейтронных звезд, мы говорили в пятой главе. Белые карлики – это бывшие ядра звезд, которые медленно «доживают» свои дни, выделяя в пространство не энергию термоядерных реакций, а тепло, накопленное за то время, когда они были звездами главной последовательности[55]. PSR B 1620−26 принадлежит шаровому скоплению в созвездии Скорпиона. Возраст скопления оценивается в 12 миллиардов лет. Все звезды в этом скоплении имеют примерно одинаковый возраст, и если возле какой-либо звезды в нем обнаруживается экзопланета, то и она оказывается такого же почтенного возраста.

В 1993 году методом радиальных скоростей в системе PSR B 1620−26 нашли экзопланету PSR B1 620−26 b, которую в силу возраста назвали «Мафусаил» – в честь библейского героя, прославившегося своим долголетием. Она находится на орбите P -типа с радиусом 23 а. е., имеет массу около 2 MJ и температуру поверхности около –200 °C. Гигантский и холодный газовый мир.

Но не это привлекло внимание ученых. Мы еще не знаем, каким образом экзопланета может пережить превращение своей родительской звезды в пульсар – взрыв сверхновой. Хотя в данном случае есть одна зацепка – место рождения системы Мафусаила. Сегодня большинство астрофизиков соглашается с тем, что наиболее вероятный механизм формирования PSR B 1620−26 состоит в том, что звезда, впоследствии ставшая белым карликом, и планета были захвачены пульсаром, путешествовавшим в относительно тесном пространстве шарового скопления. Эта гипотеза выглядит правдоподобно. И если все действительно так и происходило, значит, планеты могут путешествовать не только с орбиты на орбиту, но и от звезды к звезде, отправляясь в космические странствия, словно звездные корабли.

Изучая двойные системы, чаще всего ученые обнаруживают планеты, обращающиеся вокруг одной из звезд в кратной системе. Система Альфа Центавра – наш ближайший сосед. Она располагается всего в 4,3 а. е. от Солнца и является одной из самых ярких звездных систем на ночном небе. Альфа Центавра состоит из трех звезд. Первые две – это похожие на Солнце звезды, разделенные расстоянием в 11 а. е. Третий компаньон системы – красный карлик Проксима Центавра, он вращается вокруг общего центра масс по эллипсоидной орбите, большая полуось которой равна 9 000 а. е., и на данный момент является ближайшей к нам звездой. Пришельцы с Альфы Центавра не раз появлялись на страницах фантастических произведений. Трисоляриане, жители планеты, принадлежащей системе Альфа Центавра, играют главную роль в трилогии китайского фантаста Лю Цысиня «Память о прошлом Земли». Непредсказуемый, хаотичный мир, ввергающий своих обитателей то в огненный ад, то в невыносимую стужу, совершенно не похожий на стабильный земной, – наверное, это то, чего следует ожидать от климата на планетах в тройных системах. Но до последнего времени ничто не могло ограничить фантазию писателей. С 2012 года ситуация начала меняться.

 

 

Чилийская высокогорная пустыня Атакама уже не раз упоминалась в этой книге, так как она является одним из лучших мест на Земле для наблюдения ночного неба. На краю этой пустыни, недалеко от города Сантьяго, расположена европейская обсерватория Ла-Силья, 3,6-метровый телескоп которой оснащен высокоточным спектрографом HARPS. В 2012 году международная команда астрономов с помощью HARPS провела анализ радиальных скоростей системы Альфа Центавра. Полученные практически на грани возможностей спектрографа данные позволили ученым выдвинуть гипотезу о существовании планеты земного типа на близкой орбите у одной из солнцеподобных звезд в этой системе – Альфы Центавра В 87. Планета, правда, совсем не походила на ту, на которую хотелось бы переселиться. Температура ее поверхности, согласно расчетам, должна была составлять более 1 000 °C! Научное сообщество и СМИ встретили открытие с большим воодушевлением. Прошло три года. Более тщательный анализ, проведенный британскими учеными в Оксфорде, позволил установить, что свидетельства существования планеты, полученные ранее, объясняются, вероятнее всего, ошибками в анализе данных, и никакой планеты у Альфы Центавра B нет88. Желанное открытие пришлось признать несостоявшимся. Но на этом поиск планет в ближайшей к нам системе не закончился.

В 2016 году с помощью того же спектрографа HARPS удалось зарегистрировать планету у Проксимы Центавра89. Проксима Центавра b имеет массу как минимум в 1,3 M⊕[56], ее год длится всего чуть более 11 земных суток, а большая полуось ее орбиты равняется 0,05 а. е. – как и в случае со многими красными карликами, орбита экзопланеты намного меньше, чем орбита Меркурия. Удивителен также еще один факт: температурные условия на Проксиме Центавра b таковы, что при наличии плотной атмосферы на этой экзопланете может быть вода!

Когда мы слышим слова «жидкая вода на поверхности далекой планеты», то тотчас становимся немного астробиологами и начинаем думать о возможности существования жизни на этой планете. Новость о потенциальной обитаемости Проксимы Центавра b в СМИ восприняли восторженно. Ведь ближайшей к нам экзопланетой оказался не лавовый мир, а вполне пригодная для жизни планета! Астрофизики в свою очередь отнеслись более сдержанно. Дело в том, что красные карлики – очень активные звезды. Например, в марте 2017 года произошла вспышка Проксимы Центавра, энергия которой в 1 000 раз превосходила энергию всех прошлых событий. Так что даже если бы когда-нибудь у Проксимы Центавра b была атмосфера, она, по-видимому, давно была бы снесена подобными вспышками ее родительской звезды.

В завершении этой главы хочется поговорить еще об одной звездной системе. HD 131399 A – самая яркая звезда в тройной системе в созвездии Центавра, а также она в два раза массивнее Солнца. Две другие звезды – желтый и красный карлики, которые вращаются друг относительно друга и одновременно вокруг HD 131399 A. Такого рода тройные системы встречаются относительно часто, но что делает интересной именно HD 131399, так это наличие на орбите вокруг HD 131399 A планеты. Газовый гигант HD 131399 A b массой 4 MJ, двигающийся по орбите радиусом около 80 а. е., был открыт с помощью Very Large Telescope  («Очень большой телескоп»), или VLT, в 2015 году. Как эта экзопланета могла образоваться и выжить, до сих пор остается загадкой. Галактика умеет удивлять.

Открытие HD 131399 A b  было совершено чрезвычайно трудоемким, но очень эффективным методом, который мы пока не обсуждали подробно, – прямым наблюдением. Как я уже говорил, экзопланеты сложно рассмотреть в телескоп, так как они очень тусклые на фоне своих родительских звезд. Но если экзопланета находится на большом расстоянии от своей звезды и при этом достаточно горяча, то, в принципе, ее можно обнаружить. Наблюдения таких планет ведутся в инфракрасном диапазоне, чтобы увидеть тепловое излучение от планеты, при этом свет от самой звезды блокируется диафрагмой (телескопы, с помощью которых можно проводить такие наблюдения, называются коронографами). На рисунке 17 вы можете увидеть в буквальном смысле фотографии системы HD  131399 и принадлежащей ей экзопланеты.

 

Рисунок 17. Система HD 131399. Видно движение планеты HD 131399 A b

 

На HD 131399 A b каждый день в течение первой половины года (который длится здесь почти 550 земных лет) можно наблюдать три восхода и три заката. Из-за того, что величина суток на этой планете, как и на Земле, непостоянна, раз в год случается день, когда восход одного светила совпадает с закатом двух других. Начиная с этого момента на HD 131399 A b до конца года будет вечный день. Этот день скорее напоминает сумерки: три солнца системы HD 131399 с поверхности планеты выглядят всего лишь как необычно яркие звезды.

Тройные системы – это не предел. Мы уже говорили, что в Галактике встречаются четырех-, пяти– и даже шестикратные звездные системы с различной иерархической структурой. Чем сложнее система, тем сложнее в ней образоваться планете. Но чем дольше мы изучаем экзопланеты, тем менее прочной становится наша уверенность в том, что чего-то просто не может быть. Ученые, еще не так давно утверждавшие, что в двойной системе не может быть планет, сейчас строят гипотезы, объясняющие формирование планет в системах любой кратности.

 

 

Глава 11. Гершель и спутники планет-гигантов

 

Сложилось мнение, будто счастливый случай привел эту звезду в поле зрения моего телескопа. Это очевидная ошибка.

УИЛЬЯМ ГЕРШЕЛЬ

 

 

Имя Уильяма Гершеля уже встречалось вам на страницах этой книги[57]. Он стал известен миру как один из лучших астрономов-наблюдателей всех времен и человек, который в 1781 году обнаружил Уран, что стало первым открытием планеты со времен Античности. Но в нашем рассказе важно не это, а другое, менее знаменитое открытие Гершеля: обнаружение спутника Сатурна – Энцелада. В этой главе мы вернемся в Солнечную систему и поговорим о некоторых, пожалуй самых интересных, спутниках планет. Это позволит нам посмотреть на экзопланеты с новой, неожиданной точки зрения.

Уильям Гершель родился 15 ноября 1738 года в Ганновере в семье садовника, ставшего военным музыкантом, Исаака Гершеля и неграмотной деревенской девушки Анны Ильзы Морицен. Свой путь он начал с армейской службы, присоединившись в качестве гобоиста к ганноверской гвардии в 1753 году. Через три года началась Семилетняя война, и Гершель, быстро поняв, что военная служба не для него, вместе с братом Якобом отправился в Англию. Вместо военной карьеры в ближайшие годы Гершель посвятил себя музыке, что обеспечило ему безбедную, хоть и довольно напряженную жизнь. Он сочинил много музыкальных произведений и в конце концов добился признания своего музыкального таланта. В возрасте 28 лет Гершель принял приглашение стать органистом в часовне города Бат на западе Англии. Он мог бы сделать успешную карьеру музыканта, если бы однажды ему на глаза не попалась книга о телескопах и о том, что в них можно увидеть. Новая наука сразу очаровала его. Так на свете появился Гершель-астроном.

В 1772 году Гершель отправился на родину и уговорил мать отпустить с ним в Бат его младшую сестру Кэролайн, чтобы она выступала вместе с ним на концертах.

Вскоре Гершель стал буквально одержим астрономией, он посвящал ей все свое время и тратил все деньги на новые телескопы. Понимая, что денег все равно не хватает, Гершель задумал создать собственный телескоп. В ту эпоху зеркала больших телескопов изготавливались не из стекла, а из бронзы – сплава меди с оловом. Процесс ручной полировки одного такого зеркала занимал у Гершеля по 14–16 часов непрерывной работы, бывали дни, когда он проводил за полировочным станком по 30 часов подряд. Но Гершель работал без устали. В результате он преуспел настолько, что в 1778 году сконструировал лучший телескоп своего времени – 7-футовый рефлектор[58].

Первым страстным увлечением Гершеля стали галактические туманности, о природе которых в то время ходило много домыслов. Он даже якобы увидел, как меняются контуры таких туманностей. Также астроном безуспешно искал следы присутствия цивилизации на Луне, а не найдя их, начал измерять высоту лунных гор по отбрасываемым ими теням. Постепенно Гершель обзаводился знакомствами с людьми, занимавшимися, как и он, наукой. После встречи с королевским астрономом Невилом Маскелином он переключился на поиск двойных звезд. В первую же ночь наблюдений Гершель обнаружил, что Полярная звезда на самом деле двойная.

Со времен Античности и до Гершеля астрономы были сосредоточены на изучении движения Солнца, шести известных планет и их спутников. А звезды рассматривались как фон, пейзаж, на котором разыгрывается вечная драма. Гершеля же с самого начала привлекали именно звезды: он увидел в них живую, как сказали бы наши современники, эволюционирующую структуру. Он методично, звезда за звездой, исследовал небо. К концу 1781 года в его журнале для наблюдений было отмечено 269 двойных звезд. Телескоп Гершеля оказался так хорош, что даже английское научное сообщество не смогло проверить на своих телескопах утверждение этого астронома-самоучки о Полярной звезде.

13 марта 1781 года внимание Гершеля привлек один объект, который, на его опытный взгляд, не был похож на все остальные звезды. Через четыре дня астроном снова посмотрел на него и увидел, что тот изменил свое положение относительно других звезд. Гершель понял: так может вести себя только нечто, находящееся внутри Солнечной системы. Он предположил, что открыл новую планету, и, написав об этом статью, отправил ее Лондонскому королевскому обществу. Для определения орбиты объекта математикам потребовалось время, в течение которого одни астрономы верили, что Гершель наткнулся на новую комету, а другие, в том числе Маскелин, – что это действительно новая планета. Вторые оказались правы: неизвестный музыкант из Бата, «выскочка-астроном» смог разглядеть то, что за столько лет не увидел весь мир. В ноябре Гершеля наградили медалью Копли, а еще через месяц избрали членом Королевского общества.

Вот что написал Гершель о своем открытии в автобиографии: «Сложилось мнение, будто счастливый случай привел эту звезду в поле зрения моего телескопа. Это очевидная ошибка. Я последовательно рассматривал каждую звезду на небе – и не только такой величины, как звезда, на которую я обратил внимание той ночью, но и гораздо меньше…. Если бы в тот вечер мне помешали дела, я должен был бы найти ее следующей ночью. Качество моего телескопа позволило мне различить видимый диск планеты, едва я взглянул на нее».

Следуя традиции, согласно которой новые большие открытия посвящались членам правящей династии, Гершель назвал планету в честь короля Георга III – Georgium Sidus, что значит «Звезда Георга». Традиция не подвела Гершеля, и король пригасил его в Лондон, а через некоторое время и вовсе пожелал сделать королевским астрономом. На самом деле ситуация сложилась довольно щекотливая: можно ли сделать человека без дворянского происхождения и соответствующего образования королевским астрономом? Король долго тянул, несмотря на то что Гершель блестяще выдержал все испытания, но в итоге, уступив доводам и давлению друзей Гершеля, был вынужден сдаться. Таким образом, новоиспеченный королевский астроном покинул Бат и переехал в окрестности Виндзора, где полностью отказался от музыки и посвятил себя науке. Вслед за братом из Бата уехала и Кэролайн.

При дворе Гершель продолжал методично наблюдать за небом, изучая звезды и туманности. В 1784 году, проделав большую работу, он опубликовал статью под названием «Отчет о некоторых наблюдениях, направленных на исследование строения небес»[59], где утверждал, что туманности – это гигантские скопления звезд, собранных вместе гравитацией. В статье описана Вселенная, главной силой в которой является сила притяжения: более тяжелые звезды притягивают более легких соседей, и это приводит к тому, что образуются скопления, воспринимаемые нами с большого расстояния как размытые пятнышки света. Гершель первый предположил, что туманности Ориона и Андромеды могут иметь огромные размеры и содержать невообразимое число звезд, то есть, выражаясь современным языком, представлять собой другие, отличные от Млечного Пути, галактики. Заметив, что одни скопления звезд более плотные, тогда как другие более разреженные, и поразмышляв над этим, Гершель решил, что кластер звезд со временем становится все плотнее и плотнее, пока не сожмется под действием гравитации. Возможно, думал он, именно этот механизм в конечном итоге приводит к появлению планет.

В 1785 году стало совершенно понятно, что точности существующих рефлекторов недостаточно и нужно строить инструменты с более значительным фокусным расстоянием. Летом 1785 года проект нового, 40-футового (~12 м) телескопа был представлен королю. Георг III, который хотел войти в историю как покровитель науки, согласился финансировать этот проект. Но денег, выделенных монархом, все равно не хватило. Большую часть стоимости телескопа оплатил сам Гершель из собственных средств.

Примерно раз в 15 лет Сатурн поворачивает свои кольца к Земле так, что становится удобно наблюдать их во всей красе и исследовать спутники этой планеты. Со времен Гюйгенса и Кассини, живших во второй половине XVII века, было известно пять спутников Сатурна: Титан, Япет, Рея, Тефия, Диона. В 1787 году, когда «окольцованный» гигант снова повернулся к Земле боком, Гершель направил на него свой 20-футовый (~6 м) телескоп и, наблюдая за планетой почти 17 ночей, как будто бы заметил у нее шестой, неизвестный до сих пор спутник. Но полной уверенности у астронома не было. Через год погодные условия помешали провести полноценные наблюдения. Еще через год, 28 августа 1789 года, когда 40-футовый рефлектор уже достроен, Гершель вновь наблюдает Сатурн и понимает: ошибка исключена. То, что он видит в телескоп, лежит в плоскости колец, а значит, является новым, еще не описанным спутником Сатурна. Гершель срочно пишет официальное письмо о своем открытии президенту Лондонского королевского общества сэру Джозефу Бэнксу. Переживая, что его первенство могут оспорить, Гершель, уже в личном письме, добавляет, что открытие было сделано еще два года назад, но дела не позволили объявить о нем вовремя. За шестым спутником почти сразу последовало открытие седьмого – 17 сентября того же года. Это был триумф Гершеля и его телескопов. Сегодня мы знаем эти спутники Сатурна как Энцелад и Мимас.

Как только Уильям забрал Кэролайн из родительского дома, он посвятил ее в свои астрономические увлечения. Первое время она помогала брату, шлифуя стекла и систематизируя его наблюдения. В Виндзоре Уильям сконструировал для нее маленький телескоп, с помощью которого она могла наблюдать за небом. Кэролайн хотела проводить собственные исследования. Поскольку ее телескоп не обладал такой точностью, как большие телескопы брата, она посвятила себя поискам комет, а параллельно занималась созданием каталога звезд. Первую комету Кэролайн обнаружила в 1786 году. Всего за 11 лет наблюдений она нашла восемь комет.

 

 

На этом месте мы остановим наше краткое жизнеописание Уильяма и Кэролайн Гершель. Стоит добавить лишь, что в последующие годы они продолжили свои плодотворные наблюдения. Брат и сестра нашли 2 500 новых туманностей и 800 двойных звезд, совершив четыре полных обзора северного неба за все годы наблюдений. Уильям также обнаружил, что шапки Марса меняются с течением года, популяризовал термин «астероид» для обозначения нового класса небольших тел Солнечной системы. Он первым начал изучать форму нашей галактики и правильно предположил, что она дискообразная. В 1800 году Гершель открыл существование «невидимой формы света» – инфракрасного излучения Солнца. Кроме того, он участвовал в создании Королевского астрономического общества и даже был избран иностранным членом Шведской королевской академии наук. Умер Уильям Гершель 25 августа 1822 года. Эпитафия на его могиле гласит: «Он прорвался сквозь небесные барьеры».

 

Рисунок 18. 40-футовый рефлектор. Рисунок Гершеля с посвящением королю Георгу III, сделанный для журнала Philosophical Transactions of the Royal Society, 1795 год

 

Кэролайн пережила брата на 27 лет. В 1828 году Королевское астрономическое общество наградило ее золотой медалью за работу по созданию каталога туманностей, над которым она трудилась после смерти брата, оставив наблюдения. Она стала первой женщиной, удостоенной такой чести, и на протяжении 170 последующих лет оставалась единственной женщиной, получившей столь высокую награду.

 

* * *

 

О том, что представляют собой спутники планет-гигантов, человечество не знало вплоть до конца XX века. Безусловно, газовые гиганты вызывали у астрофизиков большой интерес. Как вы увидели на примере экзопланет, данные, которые можно получить с Земли, дают лишь общее представление об изучаемом небесном теле.

Первой миссией человечества в далекий космос, сквозь Солнечную систему и дальше, стали экспедиции аппаратов «Пионер-10» и «Пионер-11», стартовавшие с Земли в 1970-х годах. Вслед за ними последовали аппараты серии «Вояджер». На пути прочь из Солнечной системы они, пересекая орбиты Юпитера и Сатурна, сделали фотографии планет-гигантов и некоторых из их спутников и получили ряд ценных научных данных. Этих сведений оказалось достаточно, чтобы начать готовить автоматические экспедиции к газовым гигантам: «Галилео» – к Юпитеру и «Кассини» – к Сатурну. В те времена ученые понимали, что им предстоит узнать много неожиданных вещей об этих планетах, но, наверное, никто не предполагал, что самые поразительные, порой даже шокирующие открытия будут связаны не с самими планетами, а с их, казалось бы невзрачными, спутниками. Согласно существовавшей тогда парадигме эти маленькие холодные миры считались чуть ли не самым скучным местом во Вселенной. Почему так? Давайте ра<