Космический телескоп Kepler отправился искать похожие на Землю планеты в марте прошлого года, а в начале января команда миссии объявила об открытии Kepler’ом своих первых пяти планет. Все они – планеты-гиганты вроде Юпитера, которые кружатся на жарких, тесных орбитах возле своих звезд и распухли от этого жара до огромных размеров. Обнаружение двойников Земли на орбитах вокруг двойников Солнца еще впереди: для этого нужно минимум два-три года наблюдений.
поломка
Глаз задергался
12 января 2010 года команда миссии Kepler зафиксировала аномалию в данных, присылаемых модулем MOD-3 массива светочувствительных ПЗС-матриц телескопа. Это один из 21 модуля, содержащий две 2−мегапиксельные матрицы в середине верхней кромки поля зрения космического аппарата. В настоящее время дефектный модуль отключен, инженеры ищут причины сбоя. Сильную нестабильность в одном из секторов массива ПЗС-матрицы, зафиксированную прежде, в итоге удалось победить.
Но не исключено, что свое главное открытие Kepler уже сделал. И это настоящее открытие – совершенно неожиданное и пока необъяснимое. Теоретики уже чешут плеши, пытаясь разобраться, что же за объекты крутятся вокруг двух горячих звезд в созвездии Лебедя. Эти «планеты» почему-то гораздо горячее звезд, рядом с которыми их нашли.
Впервые об открытии странных спутников у звезд KOI-74 и KOI-81 (Kepler Object of Interest – «интересный Kepler’у объект») ученые рассказали коллегам в начале января, на 215−й встрече Американского астрономического общества, которая проходила в Вашингтоне. Тем не менее, масштаб проблемы, с которой они столкнулись, стал понятен лишь сейчас, когда астрономы под руководством Джейсона Роу из Исследовательского центра NASA имени Эймса опубликовали электронный препринт статьи об уникальных объектах, подготовленной для Astrophysical Journal Letters.
В поисках полутени
Kepler предназначен для поиска планет по тени, отбрасываемой ими на телескоп. Точнее, полутени, поскольку далекая маленькая планета не в состоянии полностью закрыть огромную звезду. Тем не менее, когда планета проходит по диску светила, она частично закрывает его поверхность, и в результате мы видим небольшое падение блеска звезды – в случае пары Солнце—Земля это падение блеска составило бы чуть меньше 0,01%.
Разумеется, чтобы такие транзиты случались, плоскость планетной орбиты должна лежать достаточно близко к лучу зрения, чтобы в проекции она пересекала диск звезды. Это относительно маловероятно (для той же пары Солнце—Земля вероятность благоприятного расположения составляет чуть меньше 1%), так что Kepler’у приходится следить сразу за огромным числом звезд (больше 100 тысяч).
Зато если прохождение планеты по диску произошло, а затем несколько раз повторилось – с той же глубиной падения блеска и с тем же орбитальным периодом – это дает и уверенность в том, что планета обнаружена, и возможность вычислить ее размеры – просто по доле звездного света, которую планета перекрывает.
Вторая ямка
Однако периодические прохождения планеты по диску звезды не единственные затмения в системе. В большинстве случаев (а для круглых орбит — всегда) существует еще покрытие планеты звездой. Планета ведь тоже как-то светится, и, когда она скрывается за диском звезды, общий поток энергии от системы чуть снижается – на кривой блеска отпечатывается маленькая ямка вторичного затмения.
Кроме глубины, эта ямка отличается и формой. Яркость звездного диска падает от центра к краю, поэтому на графике главное затмение напоминает латинскую букву U: в середине планета перекрывает более яркие части диска, чем по краям. Вторичное затмение больше похоже на перевернутую русскую «П» – как только планета скрылась за диском, блеск падает полностью, и никаких изменений в нем не происходит.
Разумеется, «вертикальные» участки U и перевернутой «П» на деле все-таки слегка наклонены – планета не одновременно вся вползает на диск звезды или скрывается за его краем. Правда, Kepler делает снимки всего раз в полчаса, а Земля на Солнце заползает за 7 минут, так что в большинстве случаев фазы вползания и сползания (по-научному «ингресс» и «эгресс») ему разрешить не удается. А вот его французский собрат и предшественник CoRoT, к примеру, может попытаться.
Горячей горячего
Как раз с вторичным затмением и связан неожиданный результат для звезд KOI-74 и KOI-81. У этих звезд вторичное затмение глубже, чем первичное! Иначе говоря, когда звезда закрывает планету, пропадает больше света, чем когда планета закрывает звезду – диск планеты ярче звездного. Поэтому вопрос: «Что ж это за планета такая и что ж это такая за звезда?» — которым задались ученые, вполне закономерен.
Звезды, правда, более чем нормальные. Их подробно изучили еще при подготовке миссии Kepler’а. KOI-74 (она же KIC 6889235), например, — звезда спектрального класса A с температурой около 9400 градусов по шкале Кельвина (около +9100°С), расположенная примерно в 260 световых годах от Солнца. Звезда KOI-81 (KIC 8823868) принадлежит классу B, ее температура около 10 000 К, а находится она в 1400 световых годах от нас. Эти звезды примерно в 1,9 и 2,9 раза больше Солнца по радиусу и в 2,2 и 2,7 раза по массе; при этом они излучают в 25 и в 80 раз больше света соответственно.
Параметры их спутников тоже хорошо измерены. Вокруг звезды класса A (той, что поменьше) на орбите радиусом 11 млн км (16 радиусов Солнца), которую он пробегает за пять с небольшим суток, движется объект размером чуть меньше Юпитера. Вокруг B-звезды с периодом чуть меньше 24 дней на расстоянии в 35 млн км ходит объект, который в два раза крупнее Юпитера.
Маленький, но жаркий
И 11, и 35 млн км – это орбиты очень плотные по меркам Солнечной системы; ближайший к Солнцу член нашей планетной семьи, Меркурий, находится на среднем расстоянии в 60 млн км от Солнца. Кроме того, и сами звезды KOI-74 и KOI-81 существенно горячее, чем наш желтый карлик. По этим причинам спутники обеих можно было бы смело отнести к числу «горячих юпитеров».
термин
Равновесная температура
Полная мощность излучения световой энергии каждой единицей поверхности нагретого тела пропорциональна четвертой степени его температуры, это так называемый закон Стефана—Больцмана. Поэтому можно ввести понятие равновесной температуры планеты, при которой полный поток энергии, излучаемый планетой, равен полному потоку энергии, получаемой ей от звезды.
Если температура выше равновесной, тело будет больше излучать, чем получать, и станет остывать (при положительной теплоемкости). Если температура ниже равновесной, оно будет получать меньше, чем сможет излучить, и начнет нагреваться. Лишь в равновесии эти два потока уравниваются. Реальная равновесная температура зависит также от свойств поверхности (коэффициента ее поглощения), которая может зависеть как от длины волны, так и от самой температуры, и должна определяться уравнением излучаемой и поглощаемой энергий на всех длинах волн.
Равновесные температуры их поверхности – то есть температуры, которые позволяют изучать всю энергию, которую планеты перехватывают из потока излучения своих звезд, – составляют 2200 и 1700 градусов по Кельвину. Однако из измеренной (по глубине вторичного затмения) яркости этих тел следует, что их температура – 12 300K и 13 500K. Это в два с лишним раза выше, чем у желтого Солнца, и на 3000 градусов горячее бело-голубоватых KOI-74 и KOI-81. Свет этих звезд обеспечить такой жар никак не может. Да и физическая природа объектов размером с планету и температурой с очень горячую звезду вызывает немалый интерес.
Роу и его коллеги также попытались измерить массы загадочных находок. Астрономы обратили внимание на не очень сильные, но хорошо измеренные плавные колебания блеска звезды вне затмений. На каждый оборот горячего спутника блеск прописывает две такие полные волны, поэтому ученые полагают, что здесь речь идет о приливных горбах, вытянутых на звезде притяжением близкого спутника.
По амплитуде колебаний блеска астрономы оценили, какой должна быть масса спутника, чтобы вызывать такие приливы. Получилось 0,03 массы Солнца (30 масс Юпитера, 10 тысяч масс Земли) и 0,2 массы Солнца. Это массы уже не планет, а звезд или хотя бы «недозвезд», бурых карликов, которым так и не суждено зажечь ядерные реакции (граница между ними, так называемый предел Кумара, проходит на значении в 0,07 солнечной массы). Только вот бурые карлики потому и бурые, что имеют существенно более низкую температуру, а потому слабо светят.
Объяснений нет
Итак, вокруг двух горячих звезд кружатся два непонятных объекта. Их размеры – порядка размеров Юпитера, массы – в десятки и сотни раз превосходят массу крупнейшей планеты Солнечной системы. При этом их температура выше, чем у их горячих даже по звездным меркам материнских звезд. И, судя по кривой блеска, они одинаково хорошо излучают и дневной (обращенной к звезде), и ночной сторонами – в противном случае на кривой блеска вместо двух приливных волн вырисовывалась бы одна волна изменения фазы.
Что же это такое? Самый честный ответ на такой вопрос – а неизвестно, содержательного ответа нет. Такой объект явно не может быть устроен, как планета, – во-первых, масса слишком велика, а во-вторых, даже если эта масса измерена неправильно (если двойная волна вызвана не приливами, а какой-то другой причиной), планета с такой температурой распухла бы куда сильнее, чем на один-два радиуса Юпитера. Те же рассуждения касаются и бурых карликов, которые по сути мало отличаются от очень больших планет.
Не могут это быть и обычные звезды, подпитываемые обычными ядерными реакциями в центре, потому что звезды таких размеров — это тусклые красные карлики с температурой 3−4 тысячи Кельвинов, а не 12−13 тысяч градусов. Вряд ли это и термоядерные силовые установки инопланетян – просто потому, что вряд ли. Возможен, конечно, вариант, что ученые просто как-то неправильно интерпретировали данные: в конце концов, Kepler измеряет только свет в определенном диапазоне волн, и, может быть, спутники KOI-74 и KOI-81 просто как-то невероятно эффективно перерабатывают общий поток энергии от звезды в лучи именно того сорта, что ловит Kepler. Но и это маловероятно – максимум излучения A и B звезд Kepler более или менее видит.
Настоящее открытие
Судя по всему, речь идет о настоящем, неожиданном и вызывающем больше вопросов, чем ответов, открытии. Наверное, даже о главном открытии всей миссии – в конце концов, наличие у других звезд планет вроде Земли вполне ожидаемо, а вот о необъяснимо горячих маленьких спутниках до сих пор никто и не догадывался. Возможно, Роу и его многочисленные коллеги открыли новый тип астрофизических объектов – не исключено, распространенных спутников звезд спектральных классов A и B.
Сами авторы работы очень робко предлагают вариант, согласно которому найденыши – это оставшиеся без внешней оболочки остывающие ядра звезд – что-то вроде белых карликов очень небольшой массы. Не исключено, что внешнюю оболочку стянула как раз превратившаяся сейчас в главную звезду системы компонента двойной. Правда, расчетные параметры таких объектов как-то не очень сходятся с наблюдаемыми.
Следующее слово теперь за наблюдениями – во всех возможных диапазонах волн, с максимально возможной чувствительностью, с лучшим разрешением по времени, с максимально плотным покрытием вдоль кривой блеска. Больше же всего ученые ждут спектральных данных: во-первых, по ним можно будет надежно измерить массы спутников, а во-вторых, их высокая яркость – как относительно звезды, так и абсолютная (объекты сравнительно близкие) – должна позволить вычленить спектр самого загадочного объекта, по которому можно оценивать уже его физические параметры.
В любом случае астрофизику и астрономию экзопланет в ближайшее время ждет немало интересного. Судя по всему, объекты вроде тех, что крутятся вокруг KOI-74 и KOI-81, не должны быть редкостью. Kepler уже нашел два, и при этом обнаружил всего пять обычных планет, которые считаются чуть ли не повсеместным явлением. Зато Вселенная в очередной раз подтвердила, что она куда интереснее и неожиданнее наших представлений о ней.
