Источник (на английском языке):
пресс-релиз STScI-2003-19
10 июля 2003 года

Найдена самая древняя планета

Задолго до появления на свет Солнца и Земли около одного из похожих на Солнце светил нашей Галактики родилась планета-гигант. Спустя 13 миллиардов лет после этих событий Космическому телескопу имени Хаббла удалось точно измерить массу этой древнейшей экзопланеты - к тому же еще и самой удаленной от нас из известных сегодня. Удивительна ее история. Планету занесло в крайне недружелюбное и мало гостеприимное место: она обращается вокруг необычной двойной системы, оба компонента которой - сгоревшие звезды, давно завершившие свою активную эволюционную фазу. Вдобавок к этому сама система находится в густонаселенном ядре шарового звездного скопления.

Рис. 1. 5600 световых лет отделяет нас от шарового скопления М4, а значит и от найденной планеты. Галактические координаты скопления L=351° b=+16°. Это где-то над рукавом Стрельца - внутренним по отношению к нашему рукавом Млечного Пути.

Новые данные, полученные "Хабблом", завершают десятилетие бурных дебатов и гипотез относительно истинной природы этого древнейшего мира, который величественно и неторопливо обходит необычную двойную систему по широкой орбите, совершая один оборот за целое столетие. Планета оказалась в 2,5 раза тяжелее Юпитера. Само ее существование служит красноречивым свидетельством того, что рождение первых планет началось во Вселенной очень скоро после ее рождения - уже в первый миллиард лет после Большого Взрыва. Это открытие подталкивает астрономов к выводу о том, что планеты могут оказаться очень распространенным явлением в Космосе.

Сейчас эта планета находится почти в самом ядре старого шарового скопления М4, которое мы видим на летнем небе в созвездии Скорпиона, на расстоянии 5600 световых лет от Земли. Как известно, шаровые скопления очень бедны тяжелыми элементами по сравнению с Солнечной системой, поскольку они формировались во Вселенной очень рано - в то время, когда элементы тяжелее гелия еще не успели "свариться" в "ядерных котлах" звезд. По этой причине некоторые астрономы даже склонялись к мысли, что в шаровых скоплениях может и вовсе не быть планет. Вы наверное помните, каким весомым аргументом в пользу этой пессимистической точки зрения стал уникальный эксперимент, проведенный в 1999 году с помощью "Хаббла", во время которого астрономы прицельно искали "горячие Юпитеры" в шаровом скоплении 47 Тукана и не обнаружили их там ни одного! Нынешнее открытие "Хаббла" свидетельствует о том, что в 1999 году астрономы, по-видимому, просто искали несколько не в том месте и что гигантские газовые планеты на более далеких орбитах могут быть весьма многочисленны даже в шаровых скоплениях.

Говорит Штейнн Сигурдсон из Университета штата Пенсильвания: "Наш результат становится веским аргументом в пользу того, что процесс зарождения планет весьма нетребователен и с успехом обходится даже небольшим количеством тяжелых элементов. Это значит, что он начался во Вселенной очень рано".

"Возможное обилие планет в шаровых скоплениях в высшей степени обнадеживает", - добавляет Харвей Риче из Университета Британской Колумбии. Говоря о возможном обилии, Харвей, конечно же, опирается на тот факт, что планета была открыта не где-нибудь, а в таком жутком на первый взгляд месте, как орбита вокруг двойной звезды, состоящей из гелиевого белого карлика и ... быстровращающейся нейтронной звезды! Причем вся эта связка находится совсем рядом с густонаселенным ядром скопления, где частые тесные сближения с соседними светилами угрожают хрупким планетным системам полным распадом.

История открытия этой планеты началась еще 15 лет назад, в 1988 году, когда в шаровом скоплении М4 был открыт пульсар, получившие обозначение PSR B1620-26. Это был очень быстрый пульсар - нейтронная звезда вращалась почти 100 раз в секунду, излучая строго периодические импульсы в радиодиапазоне. Почти сразу после открытия у пульсара был найден компаньон - белый карлик, проявивший себя периодическим нарушением точности "тикания" пульсара. Он успевал обернуться вокруг нейтронной звезды всего за полгода (точнее за 191 сутки). Спустя некоторое время астрономы заметили, что даже с учетом влияния белого карлика с точностью хода у пульсара какие-то нелады. Так было обнаружено существование третьего компаньона, который обращается на некотором удалении от этой необычной пары. Им могла быть планета, но не исключался и вариант коричневого карлика, или даже маломассивной звезды (все зависело от угла наклона орбиты третьего компаньона к лучу зрения, который был неизвестен). Это и вызвало жаркие споры о природе загадочного третьего компаньона в системе пульсара PSR B1620-26, которые не утихали на протяжении 90-х годов прошлого века.

Рис. 2. На этом небольшом фрагменте околоядерной области шарового скопления М4 кружком отмечено положение невидимого в оптическом диапазоне пульсара PSR B1620-26, известное из радионаблюдений. Лишь две звезды попали в это поле: лежащая на его границе красноватая звездочка главной последовательности с массой около 0,45 Мс и определенно голубая звезда с блеском около 24^m, которая и оказалась белым карликом - компаньоном пульсара.

Сигурдсон, Риче и другие соавторы открытия смогли наконец разрешить этот спор, выполнив измерения истинной массы планеты весьма изобретательным способом. Они взяли лучшие снимки Хаббла середины 90-х годов, полученные в целях изучения белых карликов в М4. На них они смогли найти тот самый белый карлик, что вращается вокруг пульсара PSR B1620-26, и оценить его цвет и температуру. Используя эволюционные модели, рассчитанные Брэдом Хансеном из Калифорнийского университета, они оценили массу белого карлика (0,34±0,04 Мс). Сравнив ее с наблюдаемыми биениями в периодических сигналах пульсара, они вычислили наклон орбиты белого карлика к лучу зрения. Вместе с точными данными из радиодиапазона о гравитационных возмущениях в движении белого карлика и нейтронной звезды по внутренней орбите, это позволило ограничить диапазон возможных значений угла наклона внешней орбиты третьего компаньона и тем самым установить его истинную массу. Всего 2,5±1 Мю! Объект оказался слишком миниатюрным, чтобы быть не только звездой, но даже коричневым карликом. Значит, планета!

За ее плечами 13 млрд. лет. Это, согласитесь, почтенный возраст. В юности она, должно быть, вращалась вокруг своего молодого желтого солнца по орбите, подобной юпитерианской. Она пережила эпоху обжигающей ультрафиолетовой радиации, вспышек сверхновых и вызываемых ими ударных волн, которые неистово прокатывались по молодому шаровому скоплению огненным смерчем в дни его становления - в период бурного звездообразования. Около того времени, когда на Земле появились первые многоклеточные организмы, планета и ее родительская звезда вплыли в самую гущу околоядерной области М4. По-видимому, где-то здесь они подошли очень близко к старому-старому пульсару, который остался после вспышки какой-нибудь сверхновой еще с ранних дней жизни скопления и у которого тоже был свой компаньон. Во время сближения произошел гравитационный маневр (обмен механической энергией), в результате которого пульсар навсегда потерял свою пару, зато захватил на свою орбиту нашу звезду вместе с ее планетой. Так и родилась эта необычная троица, получившая в новой конфигурации ощутимый импульс отдачи, который устремил ее в менее населенные внешние части скопления. Вскоре, по мере старения, материнское светило планеты раздулось в красного гиганта и, заполнив свою полость Роша, стало сбрасывать материю на пульсар. Вместе с ней пульсару передавался вращательный момент, который снова раскрутил успокоившуюся было нейтронную звезду до очень высокой скорости, превратив ее в так называемый миллисекундный пульсар. А планета тем временем продолжала свой неспешный бег по орбите на расстоянии около 23 астрономических единиц от этой сцепившейся пары (приблизительно орбита Урана).

Какая она? Скорее всего, это газовый гигант без твердой поверхности, как у Земли. Появившись на свет очень рано в истории Вселенной, он по-видимому почти лишен таких элементов, как углерод и кислород. По этой причине очень маловероятно, чтобы на нем когда-нибудь была (или есть сейчас) жизнь. Даже если жизнь возникла, к примеру, где-нибудь на одной из его твердых лун, она бы едва ли пережила мощнейшие вспышки рентгена, сопровождавшие эпоху раскручивания пульсара, когда потоки нагревающегося газа перетекали от красного гиганта к нейтронной звезде. Как это ни печально, но трудно представить, чтобы какая-нибудь цивилизация стала свидетелем и соучастником длинной и драматической истории этой планеты, которая началась почти тогда же, когда и само время.

перевод:
А.И.Дьяченко, обозреватель журнала "Звездочет"

1). Термин экзопланета появился в астрономии совсем недавно, в конце XX века. Им называют планеты, открытые около других звезд вне Солнечной системы. (вернуться...)

2). Тяжелые элементы (син. металлы). В астрономии таковыми называют все элементы, тяжелее гелия. Считается, что они не родились вместе со Вселенной, а синтезировались впоследствии в недрах звезд из двух "первичных" космических элементов: водорода и гелия. (вернуться...)

3). "Горячий Юпитер" - еще один термин, вошедший в оборот астрономов одновременно с термином экзопланета. Так называют планеты, открытые недавно около некоторых близких к Солнцу звезд, с массой порядка юпитерианской и выше и обращающиеся около своих светил по очень тесным орбитам.

В упоминаемом здесь эксперименте 1999 года "Хаббл" искал планеты в шаровом скоплении 47 Тукана непрерывно на протяжении 8 дней, пытаясь зафиксировать прохождения возможных планет по диску своих светил посредством постоянного слежения за блеском всех звезд скопления одновременно. Как известно, в итоге вместо ожидаемых 15-40 планет не было найдено ни одной! Однако при оценке этого результата не следует забывать, что при такой охоте все планеты с орбитальными периодами более 8 суток оказывались вне досягаемости телескопа, ибо подозрение на обладание планетой падало на звезду лишь в случае повторившегося как минимум дважды транзита. (Для сравнения, орбитальный период Меркурия 88 суток.) (вернуться...)

4). Полостью Роша в двойных звездных системах называется любая из двух областей, которые ограничены поверхностью Роша, описанной французским астрономом XIX столетия Эдуардом Альбертом Рошем. Другое название этой поверхности - поверхность нулевой скорости. Если звезда, расширяясь, заполняет свою полость Роша, то после этого газ, выходящий за ее пределы, уходит из сферы притяжения своей звезды и перетекает на соседнюю через область, окружающую точку L1. С этого момента радиус эволюционирующего красного гиганта должен все время оставаться очень близким к радиусу полости Роша, пока он не отдаст компаньону почти всю водородную оболочку.

В описываемой двойной системе это событие произошло около 480 млн. лет тому назад, после чего красный гигант внезапно сдулся, точнее, оголилось его гелиевое ядро, окруженное тончайшим слоем горящего водорода. Так родился гелиевый белый карлик. (вернуться...)

Комментарий к пресс-релизу

М4 - одно из ближайших к Солнцу шаровых скоплений. И все же расстояние до него (5600 световых лет) не сравнить с несколькими сотнями световых лет, в пределах которых находится основная масса открытых экзопланет. Вместе с пульсаром PSR 1257+12, до которого около 1600 световых лет и у которого уже открыто 4 планеты, последнее открытие очень расширяет ареал достоверного расселения планет по Галактике. Теперь в эту зону попадает сферическая система ее шаровых скоплений. У автора перевода и раньше не было сомнений, что планеты в Космосе - явление почти повсеместное, из чисто философских соображений. Новое открытие - прекрасное тому подтверждение с эмпирической стороны.

Крайне интересный факт: содержание металлов в среднем по скоплению М4 всего около 5% от солнечного. Вариации в химическом составе и возрасте между звездами малы. Многие считали, что в такой среде планетам никак не родиться. И на тебе: старая планета, да еще около двух релятивистских объектов, да еще в центре шарового скопления! Дожила до наших дней, и не была поглощена или выброшена. Можно понять Харвея Риче, когда он говорит о "возможном обилии" планет в шаровом скоплении. Теперь не трудно представить, сколько их там может быть в реальности, если единственный известный в этом скоплении пульсар сразу оказался с планетой! А вот в шаровом скоплении 47 Тукана металличность в 5 раз выше, чем в М4. Это означает, что в нем планеты должны были формироваться никак не реже. Думается, нужно продолжать поиски и там, только иным образом, чем это делалось в 1999 году. И хотя другие методы поиска экзопланет пока до шаровых скоплений "не дотягиваются", уже сегодня стоит внимательно наблюдать за периодами пульсаров в них. Штейнн Сигурдсон, к примеру, уверен, что на этом пути нас ожидают новые открытия.

Отдельная тема - белые карлики. Длинные экспозиции на "Хаббле" выявили в М4 значительную их популяцию. Эту популяцию использовали для определения возраста скопления. Он оказался равным 12,7±0,35 млрд. лет. Если вы когда-нибудь слышали о нижней оценке на возраст Вселенной, то там скорее всего фигурировала именно такая цифра. Конечно, она отсюда и берется. На сегодняшний день это самый надежный ограничитель минимального возраста Ойкумены.

Более точные данные из работы авторов открытия таковы: пульсар повторно раскручен до периода 11 мс, его масса оценивается в 1,35 Мс. К сожалению, авторы работы не пишут, откуда берется такая оценка, называя это "допущением", и скорее всего заимствуют ее из более ранних работ. Белый карлик находится почти на круговой орбите около пульсара. Его масса оценена как 0,34±0,04 Мс.

Такая низкая масса по сравнению с массой типичных белых карликов (0,5-0,7 Мс), а также его гелиевый, а не углеродно-кислородный состав объясняются передачей звездой своей внешней водородной оболочки пульсару на этапе ухода с главной последовательности и превращения в красный гигант. Гелиевое ядро, лишенное водородной оболочки, скорее всего даже не успело зажечь в своих недрах тройной альфа-процесс. В этом смысле звезда миновала не только стадию асимптотической ветви гигантов, но даже не пожила на "гелиевой главной последовательности", как иногда называют горизонтальную ветвь диаграммы цвет-светимость, где сравнительно долго обитают светила, зажигающие в своих недрах гелий после первого превращения в красного гиганта. Согласно оценке авторов открытия, звезда отдала свою оболочку пульсару и превратилась в гелиевый белый карлик около 480±140 млн. лет. До этого она была желто-оранжевой звездой главной последовательности с массой порядка 80-90% от солнечной.

Рис. 3. Если бы у родительской звезды новооткрытой планеты не оказалось под боком пульсара, то после исчерпания водородного топлива в своем ядре она бы совершила то классическое путешествие по диаграмме цвет-светимость, которое обозначено на схеме красной линией. Однако еще до гелиевой вспышки в ее ядре такой ход эволюции был прерван переносом массы на нейтронную звезду. От точки, отмеченной на рисунке крестиком, звезда отправилась сразу в область горячих белых карликов умеренной светимости.

Еще один интересный факт: орбита планеты оказалась сильно наклонена к плоскости орбиты внутренней пары. Авторы открытия делают из этого вывод о том, что планета едва ли могла сформироваться прямо на этой орбите недавно (например из вещества, вылетающего из внутренних областей системы в момент переноса массы с красного гиганта на нейтронную звезду). Тем самым удостоверяется ее древность. За это, кстати, она получила имя Мафусаил.

Теперь самое главное. Последний абзац пресс-релиза, унылый тон, которым авторы открытия лишают планету "свидетелей и соучастников ее длинной и драматической истории". Сколь радостное открытие и столь же обескураживающие выводы - а стоит ли вообще так мыслить? Думается, что рассуждать об обитаемости и разумности космоса людям пока стоит с гораздо большей осторожностью, ибо понимание этого предмета требует определенной степени сознания, соизмеримой с познаваемым предметом.

Не кажется ли вам, что формула Дрейка, "комфортные зоны" и некоторые другие, аналогичные им понятия современной астрономии - это определенное унижения самого понятия жизни, самонадеянное заключение ее в рамки, присущие исключительно нашей планете, которая, как мы теперь хорошо знаем, совсем не является центром и законодателем Вселенной? Здесь, на Земле, мы являемся свидетелями просто феноменальной способности жизни приспосабливаться к меняющимся условиям планеты на протяжении всего фанерозоя. Да и раньше. Сколько удивления подарило автору этой заметки знакомство с эдиакарской фауной (фауной Венда), которая стала уникальной ареной подготовки жизни к переходу от едва осязаемых бесскелетных форм к кембрийскому взрыву скелетных организмов.  (Удивление может быть субъективно, однако ученые сами признаются, что также как археолог, "попробовавший" палеолита, никогда уже не возвращается к более поздним эпохам, так и палеонтолог, занявшийся вендобионтами, никогда уже не изменяет этой страсти.)

Сегодня мы находим жизнь даже на дне океана, около огнедышащих рифтовых долин срединно-океанических хребтов. При этом мы отчетливо осознаем, что там она будет иная, чем в городском пруду. Температура воды над рифтами нередко поднимается значительно выше 100њ, давление - запредельное. Туда не проникают даже крохи солнечного света, а вода совершенно лишена растворенного кислорода. И все же там есть жизнь. Жизнь, которая с успехом заменила лучи солнца теплом земных недр, а кислородный фотосинтез - хемосинтезом на основе серы.

Почему, поднимая головы к небу, мы сразу забываем об этой удивительной способности жизни и пытаемся наделить ее земными атрибутами?

А разумная жизнь. Что есть она прежде всего: движущиеся белковые тела или все-таки мыслящее сознание? Если второе, то разве мы на Земле уже познали его природу?

Когда говорят о молчании Космоса, то прежде всего имеют в виду электромагнитные сигналы. Но они - лишь способ передачи мысли, один из возможных, коих даже человечество в своей недолгой истории сменило множество. Разве наша эволюция уже остановилась?

С печалью произносятся слова о том, что планета лишена "твердой поверхности, как у Земли". Но разве у нас на земле нет рыб?

Если разумная жизнь - это прежде всего мыслящее сознание, то разве доказано, что для его существования вообще нужна планета? Газовые кольца вокруг горячих ОВ-звезд, не могут ли они быть еще лучшими "твердями" для проявления сознания в гораздо более гибких и податливых формах?

Почему Станислав Лем мог мечтать о мыслящем океане, а астрономы не могут? Не лучше ли допускать, чем ограничивать? Особенно в тех областях исследования, которые мы только начинаем познавать. Можно этому учиться у детей.

Искренне радуюсь словам замечательного российского астронома Юрия Николаевича Ефремова: "деятельность сверхцивилизаций может быть связана с тем, о чем мы и не подозреваем". Ну конечно, а как же может быть иначе! Неужели все оставшиеся миллиарды лет, пока будет гореть Солнце, люди так и будут копать картошку, смотреть телевизор и строить танки? Чем те, кого мы ищем, хуже нас?

Нет сомнения, что история разумной жизни на той далекой планете может оказаться столь же интересной и многогранной, как и история ее светила. 13 миллиардов лет. Какой срок! Помнят ли ее обитатели о промелькнувших когда-то эпохах, в которые их предки предавали мысль радиоволнами? Если забыли, их можно понять. Уже миллиарды лет они не нуждаются для этого ни в каких средствах. Мысли, рождающиеся в их сознании, мгновенно достигают сознания адресата. Телевизоры и танки давно уже канули в лету, вместе с музеями, когда-то хранившими эти раритеты. Шаровое скопление разумных сообществ, давно вышедших из колыбелей своих миров и ставших сознательными участниками эволюции своего скопления, - можно ведь мыслить о М4 и подобным образом.

А.И.Дьяченко, обозреватель журнала "Звездочет"

1). Тройной альфа-процесс - реакция термоядерного горения гелия, в результате которой три ядра атома гелия (это и есть альфа-частицы) объединяются в одно ядро углерода:
⁴He + ⁴He + ⁴He -> ¹²C (вернуться...)