Бездомные карлики

Тигран Оганесян
14 мая 2001, 00:00

Специалисты перестали понимать, что такое планета

Для науки, исследующей космические объекты на рубеже двух веков, наступила новая революционная ситуация - старые, наработанные десятилетиями и даже столетиями теоретические постулаты и представления трещат по всем швам под напором многочисленных новых экспериментальных данных, сыплющихся в последние два-три года на озадаченных ученых, как из рога изобилия. Этот поток информации, плохо поддающейся мэйнстримовской интерпретации, с достаточно большой долей вероятности в самом скором времени может привести к серьезному пересмотру базовых терминологических понятий астрономии. Самый яркий пример такого рода - жаркие дискуссии, развернувшиеся в последние несколько месяцев в мировом астрономическом сообществе вокруг самого, казалось бы, элементарного определения: что такое планета.

Космические сироты

Само собой разумеющийся минимальный набор критериев (специфика происхождения, диапазон масс и наличие околозвездной орбиты) всего несколько лет назад как бы по умолчанию определял принадлежность космических объектов к классу планет. Причем различия между планетами и прочими объектами представлялись настолько очевидными для любого специалиста, что в глоссариях многих весьма солидных научных изданий энциклопедического профиля дефиниция термина "планета" вообще отсутствовала, как бы за ненадобностью.

Справедливости ради следует, конечно, сразу же уточнить: данной терминологической проблеме до самого недавнего времени особенно и неоткуда было возникнуть, поскольку все практические знания земной астрофизики о планетах жестко ограничивались нашей Солнечной системой. Даже орган, официально уполномоченный давать канонические определения разнообразным небесным объектам и явлениям, Международный астрономический союз (IAU), до самого конца XX века так и не удосужился дать четкое определение понятия "планета" и был вынужден обратить свое внимание на столь явную терминологическую халатность лишь после того, как в течение последних пяти с небольшим лет пошел вал открытий так называемых экзопланет, то есть планет, не относящихся к Солнечной системе. Причем впервые доказательства их существования путем непосредственного наблюдения отраженного света этих планет (а не косвенно - через обнаружение небольшого отклонения в движении центральной звезды под воздействием гравитации вращающихся вокруг нее невидимых астрономическими приборами небесных тел) были получены группой Давида Шарбонно из Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics лишь в 1999 году.

Но, скорее всего, даже эти открытия, ставшие возможными благодаря эффективному применению новой астрономической техники (так, в Испании, Чили и на Гавайях построены и начали работать очень большие телескопы, оснащенные мощными модернизированными инфракрасными матрицами), не скоро подвигли бы чиновников от астрономии на столь тяжкий труд, если бы не многочисленные странности внешнего вида и поведения открытых учеными космических объектов, явно не вписывающиеся в рамки традиционных дефиниций.

Начиная с 1995 года астрономами было обнаружено более полусотни звезд, вокруг которых вращаются одиночные гигантские объекты, в несколько раз превышающие по массе Юпитер, самую крупную из планет Солнечной системы (Юпитер "весит" в 318 раз больше, чем Земля), с траекториями орбит, совершенно не свойственными нашим планетам; более того, расстояние от многих из этих объектов до звезд-"солнц" намного меньше, чем полагается согласно традиционным представлениям о гравитационных силах.

Но еще более удивительным с точки зрения астрономического мэйнстрима было обнаружение порядка двух дюжин тусклых массивных объектов, не привязанных к конкретной звезде и свободно дрейфующих в космическом пространстве. Впервые они были вычислены косвенным путем в 1997 году японскими астрономами в туманности Хамелеона. Однако подавляющее большинство этих таинственных "космических сирот" открыто в туманности созвездия Ориона - плотном скоплении газа и космической пыли, ядро которого составляют четыре ярчайших звезды. Этот молодой космический регион, образовавшийся не более пяти миллионов лет назад (для сравнения: нашей Солнечной системе уже несколько миллиардов лет от роду) и находящийся от нас на расстоянии примерно 1500 световых лет, - самый активный центр зарождения новых звезд в галактике Млечного Пути и, пожалуй, наиболее популярная область современных астрофизических исследований.

Планетофилы и планетофобы

Открытие большого числа "бездомных планет" (как их сразу поспешили окрестить многие любящие жареные научные сенсации западные СМИ) раскололо современное астрономическое сообщество на два враждующих лагеря, представителей которых можно с некоторой натяжкой обозначить как "планетофилов" и "планетофобов". К числу наиболее активных сторонников первого лагеря относятся английские астрофизики Патрик Роч и Филип Лукас, первыми обнаружившие осенью 1999 года в туманности Ориона два таких странных небесных тела. На недавней астрономической конференции в Оксфорде (апрель 2001 года) они заявили, что им удалось определить наличие на поверхности этих объектов горячего водяного пара, что, по их мнению, является очевидным аргументом в пользу планетарной версии.

Помимо этого наблюдения у "планетофилов" есть по крайней мере еще два крепких аргумента. Первый и, пожалуй, самый сильный - масса "космических сироток". Оценочные данные этих масс - диапазон от 5 до 15 юпитерианских масс (юпитерианских единиц - ю. е.), тогда как канонический минимум массы звезды - 75 ю. е.: только обладающие такой массой космические тела оказываются в состоянии инициировать в своем ядре термоядерные реакции, в процессе которых происходит слияние атомов водорода друг с другом и образуются атомы гелия, а выделяемая при этом энергия вызывает свечение небесного объекта. Второй - их низкая температура (оценочно - порядка 1500-2000 К).

Однако имеется пара козырей и у противоположного лагеря. Один из них - "возрастной": существование столь молодых "планетообразных" тел. Как уже отмечалось, созвездие Ориона, в состав которого они входят, начало формироваться всего несколько миллионов лет назад. Это находится в явном противоречии с современными космологическими теориями, постулирующими, что для образования из звездной пыли и газа крупных шарообразных скоплений, классифицируемых как "планеты", должно пройти не менее нескольких десятков миллионов лет.

Другой контрдовод носит скорее формальный характер - отсутствие орбитального вращения этих объектов вокруг звезд (их пресловутое "свободное плавание" в космосе) не соответствует первому планетарному критерию: как наконец постановил в феврале этого года после многомесячных тяжких раздумий Международный астрономический союз, официальное определение понятия "планета" отныне звучит примерно следующим образом: "Планеты - космические объекты, облетающие по орбите звезду" (в английском оригинале: "Planets must orbit a star". Мудрецы из IAU, впрочем, поспешили уточнить, что этот терминологический шедевр - промежуточная версия).

Однако последние несколько лет в качестве рабочего определения планет большинство астрофизиков использовало совсем другой вариант, предложенный Адамом Бэрроузом из Аризонского университета: "Планета - это объект, масса которого составляет не более 1,3% от массы Солнца". Откуда взялась эта цифра? Именно наличие такой минимальной массы (в пересчете на "юпитерианские единицы" - около 15 ю. е.), характерно для самых маленьких из так называемых коричневых карликов, что, по расчетам ученых, обеспечивает возгорание в их ядрах тяжелого изотопа водорода - дейтерия: захватывая протон, он преобразуется в легкий изотоп следующего в таблице Менделеева химического элемента, лития. За счет энергии гравитационного сжатия, которая преобразуется в тепло и свет, коричневые карлики слегка светятся, но на большее (то есть инициирование термоядерных реакций, обеспечивающих формирование полноценных звезд), они не способны - для этого им не хватает массы.

Звездные эмбрионы

Вплоть до недавнего времени науке было известно четыре разновидности космических карликов - белые, красные, желтые и черные. Желтые и красные являются скорее подвидами обычных звезд, белые - одним из возможных конечных состояний выгоревших звезд, объектами, имеющими в радиусе несколько тысяч километров и плотность в сотни тонн на кубический сантиметр (в XX веке во Вселенной было обнаружено немало таких экземпляров). Наконец, черные карлики - чисто теоретическая модель, согласно которой на поздней стадии жизни белых карликов они должны охлаждаться до абсолютного нуля и фактически полностью исчезнуть с космического небосвода (по мнению ученых, до возникновения этих карликов наша Вселенная еще не дозрела).

Гипотеза о существовании целого класса "неудавшихся" звезд - коричневых карликов - возникла еще в начале 60-х годов, однако практическое ее подтверждение было получено лишь в 1996 году, когда у звезды Gliese 229 был обнаружен очень холодный спутник с температурой менее 1000 K. Согласно высказывавшимся сторонниками этой гипотезы предположениям, в формировании спектра холодных (с температурой меньше 1500 К) карликов ведущую роль должен играть метан.

В точном соответствии с этими предсказаниями спектр объекта Gliese 229В содержал сильные полосы метана, а его цвет в ближнем инфракрасном диапазоне был желтовато-коричневым. Именно эти свойства стали ключевыми при дальнейшем поиске столь редких объектов - для обнаружения коричневых карликов астрофизики использовали специальный светофильтр, центрированный на полосу поглощения метана.

К настоящему времени астрофизикам удалось вычислить уже более двух десятков коричневых карликов, но возможности их обнаружения резко ограничены: уже на небольшом расстоянии от Солнечной системы их невозможно заметить имеющимися в распоряжении современной астрофизики приборами. Тем не менее, по оценкам ряда ученых, их число во Вселенной должно быть вполне сопоставимым с числом звезд, из чего, в частности, следует, что в одной только нашей галактике этих любопытных образчиков космической фауны более ста миллиардов!

Так что же такое пресловутые "свободно дрейфующие" объекты в туманности Ориона - планеты, коричневые карлики или, по новейшей версии Алана Босса из вашингтонского Института Карнеги (кстати, "по совместительству" - руководителя рабочей группы IAU), всего-навсего осколки сколлапсировавших звезд? В качестве промежуточного варианта многоопытный в терминологических вопросах Босс предложил именовать их "субкоричневыми карликами" (sub-brown dwarfs), "так как эти объекты меньше типичных коричневых карликов, но по своему генезису очень близки к ним".

Согласно представленной им интерпретации, "свободно плавающие объекты в созвездии Ориона, обладающие планетарными массами, по-видимому, формировались в результате того же эволюционного процесса, что и звезды, но в отличие от последних уже на ранней стадии подверглись воздействию сильных магнитных полей и значительно потеряли в массе, а затем были как бы выброшены из этого протозвездного ядра, так и оставшись бездомными звездными эмбрионами".

Версия Босса получила довольно широкую поддержку у его коллег (разумеется, главным образом "планетофобов"). Пока в лагере сторонников "планетарной версии" ей не нашлось достаточно убедительных контраргументов. Таким образом, на данный момент верх в терминологической дискуссии берут консерваторы-скептики. Старая понятийная база астрофизики временно устояла. Но, по большому счету, ее нынешнее состояние настолько неустойчиво, что в самом скором будущем масштабная перестройка теоретического фундамента станет неизбежной. В противном случае астрономам уготована участь их собратьев - специалистов по физике высоких энергий, давно потерявших счет своим "элементарным" частицам и полностью израсходовавших весь набор латинских и греческих букв для их обозначения.