Все наши астрономические знания за редкими исключениями вроде прогулок по Луне и ловли нейтрино получены благодаря электромагнитному излучению – в основном видимому свету. Но свет не только источник знаний, но и беда астрономов, потому что его физическая природа ограничивает наше стремление к познанию.
Свет, к примеру, невозможно поймать где-то в горах, принести в лабораторию и исследовать в комфорте и тепле. Свет движется слишком быстро, и фиксировать кванты приходится непосредственно в обсерватории, превращая фотоны в электрические сигналы. Световые лучи нельзя взять и согнуть, и чтобы отправить их в какой-нибудь спектрометр приходится устанавливать сложные системы линз, зеркал и световодов.
Волна к волне
Но самое «неприятное» в том, что свет – это волна, а волны имеют тенденцию огибать мелкие препятствия. Из-за этого, чтобы разобрать тонкие детали, астрономам приходится делать телескопы все больших и больших размеров: разрешение астрономического прибора определяется диаметром его входного отверстия. Если он невелик, то изображение даже точечного источника расплывается в довольно крупное пятно, на фоне которого нельзя увидеть мелкие детали.
явление
Интерференция (волн)
наложение волн, при которых может происходить как их взаимное усиление («конструктивная интерференция»), так и гашение («деструктивная интерференция»). Эффект зависит от соотношения фаз двух волн.
Тем не менее есть целая отрасль науки, которая умудряется обращать волновую природу света на пользу ученым и делать с ее помощью трюки, которые совершенно недоступны другим методикам. Она называется интерферометрией, и находит применение не только в астрономии, но и в других областях науки. Например, физики с помощью интерферометрии научились измерять расстояния с точностью на порядки лучшей, чем размеры атомного ядра, а химики могут измерить концентрацию интересующего их газа в смеси с точностью до мельчайших долей процента.
Основная идея интерферометрии очень проста: если свет – это волна, то две волны можно заставить складываться так, как нам удобно. Там, где нужно усилить сигнал, можно сложить несущие его волны в фазе. Там, где хочется убрать шум, можно «занулить» его, складывая две волны в противофазе.
Звездная помеха
Ровно так работает и Keck Nuller – зануляющий интерферометр американской обсерватории имени Кека на Гавайях. В распоряжении этой обсерватории имеются два крупнейших телескопа диаметром по 10 метров каждый, расположенных на расстоянии 85 метров друг от друга. И если свести воедино пучки света, собранные каждым из телескопов, можно разрешить такие же детали, как смог бы увидеть 85−метровый телескоп. Построить такую махину пока ни у кого не получилось.
Изюминка Keck Nuller'а в том, что он приспособлен для зануления света точечных источников, расположенных в заданном месте в поле зрения телескопа. Если поместить туда яркую звезду, она исчезнет, и ее свет более не помешает исследовать слабые объекты в ее окрестностях. Ведь именно рассеянный свет ярких звезд, расплывающихся огромным пятном по детектору, служит главным препятствием для прямых поисков внесолнечных планет и протопланетных дисков.
Непосредственно увидеть планеты на интерферограмме тоже невозможно. Однако она сразу покажет, если в окрестностях «зануленной» звезды есть что-нибудь интересное.
Двойное открытие
Второго апреля 2007 года ученые под руководством Кристофера Старка из Университета американского штата Мериленд направили два телескопа имени Кека на звезду 51 Змееносца (51 Oph), скомбинировали пойманный приборами свет в интерферометре Keck Nuller и попытались ответить на вопрос, есть ли что-то интересное вокруг этой звезды.
51 Змееносца – это быстро вращающийся голубой гигант в 400 световых годах от Земли. Светит он, как 260 звезд, подобных Солнцу. У 51 Змееносца давно подозревали наличие планетной системы или протопланетного диска, но яркий блеск центрального светила не позволял проверить эту гипотезу. Как пишут Старк и его коллеги в статье, принятой к публикации в октябрьском номере Astrophysical Journal, зануляющий интерферометр подтвердил подозрения.
шкала
Астрономическая единица (а.е.)
единица измерения расстояния в астрономии, равная среднему расстоянию от Земли до Солнца. Равна примерно 149,6 миллиона километров.
Увидеть планеты не удалось, однако ученые не расстраиваются. Съемки интерферограммы в нескольких длинах волн показали наличие пылевого диска – как у знаменитых систем β («бета») Живописца и Вега (α Лиры). Анализ полученных данных показал, что диск вокруг 51 Oph простирается на 1200 астрономических единиц (а.е.), то есть средних радиусов земной орбиты.
Более того, этот диск – двойной. Во внутренней его части движутся более крупные пылевые частицы размером от десятка микрон и выше, и простирается от звезды на 4 а.е. – примерно до такого же расстояния, как внешняя граница пояса астероидов в Солнечной системе. Внешний диск вокруг 51 Змееносца начинается примерно с 7 а.е. от звезды и состоит из существенно меньших силикатных частиц диаметром около 0,1 мкм (отличие сразу видно по спектру, так как только крупные частицы излучают, как нагретое тело).
Как предполагают авторы работы, такое раздвоение возникло за счет яркого излучения самой 51 Oph. Сила притяжения частицы растет пропорционально массе, а значит – кубу размера, сила давления излучения – пропорционально «парусности», площади частиц, а значит – квадрату размера. Поэтому для достаточно маленьких частиц сила отталкивания превозмогает гравитацию и начинает относить их наружу. Тем временем крупные частицы остаются внутри и смогут через некоторое время сформировать планеты.
Кстати, по мнению некоторых специалистов, примерно по той же причине плотные каменные планеты вроде Земли, в составе которых полно тяжелых химических элементов, находятся ближе к Солнцу, а газовые гиганты вроде Сатурна и Юпитера, состоящие из водорода и гелия, – дальше от нашего светила. Так что не исключено, что через какое-то время вокруг 51 Змееносца появится планетная система, чем-то похожая на нашу. Правда, жить на аналоге Земли не получится – при светимости звезды в 260 солнц, температура на такой планете не будет опускаться ниже 600−700°С.
