Осирис теряет атмосферу

Тигран Оганесян
9 февраля 2004, 00:00

В атмосфере недавно открытой планеты обнаружены кислород и углерод. Но жизнь там невозможна - водородный смерч скоро превратит это небесное тело в выжженную пустыню

В начале февраля 2004 года ведущие мировые информационные агентства сообщили, что в парижском Институте астрофизики интернациональный коллектив ученых под руководством француза Альфреда Видаль-Мадьяра впервые обнаружил кислород и углерод в атмосфере планеты, находящейся за пределами Солнечной системы.

Первая краткая публикация, посвященная этому открытию, появилась в специализированном журнале Astrophysical Journal Letters, а более популярная версия анонсирована к выходу в мартовском номере Nature. Пока же ясно, что выявленный "кислородно-углеродный след" в атмосфере гигантской газообразной планеты HD 209458b отнюдь не свидетельствует о наличии там каких-либо признаков белковой жизни (скажем, присутствие этих химических элементов в атмосфере того же Юпитера или Сатурна - давно установленный наукой факт). Более того, если даже предположить, что некие, пусть даже примитивные, формы жизни на HD 209458b все-таки имеются, их шансы на дальнейшее развитие практически равны нулю. Хотя это весьма огорчительно, все же открытие должно существенно поднять настроение всем профессионалам и любителям занимательной планетологии. Прежде всего следует отметить очевидный прорыв в методах поиска и изучения планет вне Солнечной системы.

В водородном смерче

Среди множества трудностей, серьезно ограничивающих саму возможность обнаружения внесолнечных планет, астрономы, как правило, выделяют две основные. Первая: планеты не излучают собственного света, а только отражают свет звезд, вокруг которых обращаются, следовательно, эти объекты - очень тусклые. Вторая: идущий от планеты отраженный свет крайне слаб, и его просто-напросто "заглушает" значительно более сильный свет звезды.

На сегодня астрономами выявлено более ста внесолнечных планет - по состоянию на конец января 2004 года их формально насчитывается уже 118, но практически все они из "научкорректных" соображений называются планетами-кандидатами, поскольку стопроцентной гарантии правильного определения их статуса пока никто не может дать. Но лишь две из этих планет - HD 209458b и OGLE-TR-56 (объект, найденный по соседству с самой яркой звездой во Вселенной, Сириусом в созвездии Больших Псов) - были обнаружены благодаря использованию сравнительно новой технологии - так называемого транзитного метода. Все же остальные внесолнечные планеты обязаны своим "косвенным" обнаружением допплеровскому методу радиальной скорости. Этот традиционный косвенный метод основан на измерении скорости смещения наблюдаемой звезды в отношении объекта, находящегося на прямой линии Земля-звезда. Измеряемая таким образом в течение длительного времени радиальная скорость смещения проверяется на равномерность: если вблизи звезды присутствует какое-либо другое тело, то (из-за его гравитационного воздействия) радиальная скорость звезды будет немного изменяться. Изменения эти будут происходить с определенной периодичностью, предположительно равной периоду обращения невидимой планеты вокруг звезды.

Первая внесолнечная планета, открытая в конце 1995 года с помощью метода радиальной скорости швейцарскими астрофизиками Мишелем Майором и Дидье Келозом, находится на орбите звезды 51 созвездия Пегас. Расположенная в том же созвездии планета HD 209458b, которая и стала предметом изучения группы Видаль-Мадьяра, обнаружена только в 1999 году.

HD 209458b тут же была занесена в виртуальную "Книгу великих достижений" астрономии: благодаря использованию чувствительных телескопов американского космического аппарата Hubble ученые впервые смогли увидеть частичное затмение наблюдаемой отдаленной звезды (расстояние от нее до Земли составляет около 150 световых лет), свет которой был перекрыт вставшей на ее пути планетой.

Иными словами, "Хабблом" был наконец зафиксирован внесолнечный планетарный транзит. Транзитами в астрономии называются периодические проходы "посторонних" астрономических объектов между Землей (или какой-либо иной исходной точкой наблюдения) и наблюдаемым объектом (как правило звездой). Классический пример таких проходов для нашей Солнечной системы - транзиты Меркурия и Венеры. Они вызывают частичные звездные затмения, когда заслоняется незначительная часть звездного диска (в случае с HD 209458b блокируется всего 1,5% звездного света).

Проведя необходимые математические вычисления, в том же 1999 году астрофизики смогли составить примерный портрет нового космического объекта. Оказалось, что HD 209458b, как и многие обнаруженные ранее внесолнечные планеты, - крупное небесное тело, размеры его примерно в 1,3 раза превышают размеры Юпитера, а масса составляет 65-70% от юпитерианской (что в 220 раз превышает массу Земли). Радиус орбиты этой планеты - всего около 7 млн километров - почти в восемь раз меньше, чем у самого близкого к Солнцу Меркурия, а один полный оборот вокруг своего "солнца" (светила седьмой звездной величины) она совершает всего за трое с половиной земных суток. Планеты с подобными характеристиками получили в астрофизике условное наименование "горячих юпитеров".

Если даже предположить, что некие примитивные биологические формы на HD 209458b все-таки имеются, их шансы на дальнейшее выживание практически равны нулю

Столь частые транзитные проходы HD 209458b и привлекли к этому объекту внимание астрофизиков. К наблюдению за ним помимо телескопов "Хаббла" подключилось несколько наземных обсерваторий, и уже в 2000-2001 годах ученые получили немало новых сведений о строении и свойствах планеты. Было установлено, что HD 209458b состоит преимущественно из газа: ее средняя плотность оказалась меньше, чем плотность воды (средняя плотность Земли превышает ее примерно в пять раз). В ноябре 2001 года американские астрофизики под руководством Дэвида Шарбонно и Тимоти Брауна обнаружили в спектре планеты следы натрия - важнейшего химического элемента, свидетельствующего о наличии атмосферного слоя вокруг HD 209458b.

Наконец, в марте 2003-го Видаль-Мадьяр и его коллеги зафиксировали в верхних слоях атмосферы планеты присутствие значительного количества водорода. Этот мощный водородный слой характеризуется необычной динамикой - он интенсивно улетучивается в окружающее космическое пространство, при этом водородный смерч засасывает внутрь себя и более тяжелые атмосферные газы (в том числе и обнаруженные в этом году кислород с углеродом). По оценкам специалистов, в среднем за секунду "испаряется" до 10 тыс. тонн водорода - уникальное явление, не наблюдавшееся ранее ни на одной из исследуемых планет как внутри, так и за пределами Солнечной системы.

Пораженный этой активностью атмосферного водорода, уничтожающего защитную оболочку HD 209458b, Видаль-Мадьяр предложил назвать планету Осирисом - в память о египетском божестве, расчлененном на куски своим завистливым братом Сетом (очевидно, роль Сета исполняет поток водорода).

Впрочем, само по себе наличие у HD 209458b-Осириса внешнего испаряющегося водородного слоя не является чем-то новым для планетологов (скажем, такой слой имеется даже у Земли). Однако ни на одной из известных планет этот процесс не представляет сколько-нибудь серьезной угрозы для сохранности атмосферы - их гравитационного притяжения хватает для того, чтобы удерживает ее "под контролем".

Причины же необычного атмосферного поведения, наблюдаемого на Осирисе, по мнению ряда астрофизиков, кроются в чрезмерной близости планеты к звезде. Установлено, что температура даже нижних слоев атмосферы Осириса достигает 1000 градусов, а верхние слои нагреваются почти до 10000. Немалую роль в этом играет сильное ультрафиолетовое излучение, расщепляющее молекулы атмосферных газов на атомы и ионы (так, обнаруженный группой Видаль-Мадьяра в верхних слоях атмосферы Осириса кислород присутствует там в атомарном состоянии, а углерод - в виде ионов). Именно это атмосферное поглощение ультрафиолета, скорее всего, и создает необходимую энергию, питающую мощные газовые выбросы, а их сверхзвуковая скорость при этом оказывается достаточной, чтобы преодолеть гравитационную силу планеты.

На основании наблюдений о быстро испаряющейся атмосфере Осириса Альфред Видаль-Мадьяр и ряд его коллег недавно выдвинули интересную гипотезу о предположительном существовании во Вселенной особого планетарного класса - хтонических планет (от имени греческого бога Хтона - одного из властелинов горячих подземелий). Хтоны, по их мнению, должны представлять собой одну из возможных конечных стадий планетарной эволюции бывших газовых гигантов, от которых в результате полного атмосферного испарения остается одно лишь выжженное ядро (причем радиус их орбит должен быть еще меньшим, чем у Осириса, - возможно, 3-3,5 млн километров). Поиск таких планет-хтонов может стать в ближайшие годы одним из ключевых элементов астрофизических исследований.

Мощный водородный слой, увлекая за собой и другие составляющие атмосферы этой планеты, удивительно быстрыми темпами улетучивается в окружающее космическое пространство

Следует упомянуть еще об одной крайне любопытной идее, высказанной Видаль-Мадьяром: по его мнению, есть некая вероятность, что на ранних этапах эволюции атмосфера Земли (равно как и планет сходного типа - Венеры и Марса) могла полностью улетучиться по схожему с HD 209458b сценарию. Если это так, каким же образом затем земная атмосфера регенерировала? Французский астрофизик утверждает, что этот процесс мог быть простимулирован "благодаря комбинированному эффекту от частых столкновений Земли с астероидами и кометами и регулярных выбросов газов из планетарных внутренностей".

Земной тип и размер

Обилие новых данных о строении и эволюции малоизученного класса астрономических объектов, полученных при помощи чувствительного ультрафиолетового спектрографа "Хаббл", безусловно, заставляет даже убежденных романтиков еще на некоторое время смириться с одиночеством человека во Вселенной. Но в скором будущем, а именно в 2006 году, NASA планирует запуск специального космического аппарата Kepler. В течение четырех лет он будет сканировать 100 тыс. близлежащих звездных систем на предмет обнаружения в них планет, сходных по своим характеристикам с нашей Землей. По оценкам одного из специалистов NASA, пожелавшего сохранить инкогнито, "примерным итогом работы Kepler должно стать открытие примерно 50 планет земного типа и размеров, 185 планет на 30 процентов более крупных, чем Земля, и 640 - с размерами, в 2,2 раза ее превосходящими". Так что будем надеяться на тонкий нюх американского зонда и, конечно, на бюджетную дальновидность президентской администрации. Если они пустятся в очередную многомиллиардную погоню за марсианскими призраками, то "второстепенные" проекты могут с легкостью задвинуть в долгий ящик.