XXVIII. ОТКРЫТИЕ ИНЫХ ПЛАНЕТНЫХ СИСТЕМ
В настоящее время известно, что, кроме нашей Земли, в состав солнечной системы входит восемь больших и много тысяч малых планет (так называемых астероидов). Все они, подобно Земле, обращаются вокруг Солнца, кроме того, все большие планеты вращаются вокруг своих осей — каждая в течение определенного времени. Из крупных планет четыре (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун) значительно больше Земли по объему, две (Венера и Плутон) равны Земле, а две (Меркурий и Марс) меньше.
Первые четыре планеты, — Меркурий, Венера, Земля и Марс — относят к «землеподобной» группе; они покрыты твердой корой, и на некоторых из них, кроме Земли, возможна жизнь. Другие же крупные планеты, кроме Плутона, имеют одинаковую природу; они состоят преимущественно из газов, которые в виде огромных атмосфер окружают их небольшие твердые ядра. Вследствие очень низкой температуры (около 150 градусов ниже нуля) газы этих планет находятся в состоянии, близком к сжижению. В число газов входят аммиак и метан (болотный газ).
Что же касается малых планет, то они обращаются вокруг Солнца главным образом в пространстве между Марсом и Юпитером. Наибольшие из них имеют в диаметре несколько сотен километров, а самые малые из известных нам всего около одного километра. Кроме того, бесспорно существует огромное число еще более малых планеток (многие из них это просто «камни», которые мы знаем как метеориты).
Прошло уже почти 350 лет со времени казни Джордано Бруно за его учение о множестве обитаемых миров, созданное под влиянием открытия Коперником солнечной системы. Невольно возникает вопрос: в какой же мере эволюция астрономических знаний подтвердила эту революционную мысль, подсказанную коперниканством?
Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо прежде всего выяснить: действительно ли существуют в звездном мире планетные системы, более или менее подобные нашей солнечной системе. Эта проблема оказалась чрезвычайно трудной. Только в самые последние годы астрономия, наконец, получила данные о наличии планет у звезд,
Благодаря телескопическим открытиям перед человеком «открылась бездна, звезд полна», где «звездам числа нет, бездне — дна», — как вдохновенно писал наш гениальный М. В. Ломоносов. Когда появилась возможность изучать массу, температуру, светимость и другие свойства звезд, стало ясно, что среди последних существует большое разнообразие. Что же касается нашего Солнца, то по всем своим характеристикам (массе, размерам, светимости, температуре и т. д.) оно относится к типу весьма распространенных звезд; ничего особенного, исключительного оно собой не представляет. Но вместе с тем оказалось, что вовсе не все звезды построены «по образу и подобию» нашего Солнца, так как много таких звезд, которые на него очень не похожи. Значит, наше Солнце не является прообразом, прототипом для всех звезд: оно— лишь пример одного из разнообразных типов, встречающихся в нашей звездной системе (Галактике).
 |
Сравнительная величина Солнца и планет. |
Об этом свидетельствуют прежде всего так называемые двойные, тройные и вообще кратные звезды, связанные взаимным тяготением. Простейшим типом таких звездных систем являются уже упомянутые двойные звезды: две звезды расположены настолько близко друг к другу, что между ними существует физическая связь, взаимное притяжение, и поэтому они являются «компонентами» двойной системы. Обе звезды движутся вокруг общего центра тяжести всей системы. Каждая из звезд данной пары описывает эллипс около этого центра в согласии с законом всемирного тяготения. Обыкновенно периоды их обращения измеряются десятками лет, но среди них встречаются и такие пары, которые обращаются в течение столетий, ибо расстояние между «компонентами» достигает огромной величины, во много раз превышающей расстояние от Земли до Солнца.
В тех же случаях, когда даже современные могущественные телескопы не способны «разлагать» кратные звезды на компоненты, — на помощь приходит спектроскоп, который воспринимает спектры обеих звезд раздельно, как бы наложенными один на другой. Когда оба компонента звездной пары находятся на одной линии с глазом наблюдателя или объективом телескопа, линии обоих спектров совпадают. Когда же компоненты системы расходятся в стороны, — спектральные линии двоятся (согласно принципу Допплера-Белопольского), периодически смещаясь у одной звезды к красной, у другой к фиолетовой части спектра. На основании такого смещения было открыто много так называемых спектрально-двойных звезд; причем среди них оказалось очень много пар со временем обращения в несколько дней и даже часов.
Лишь в чрезвычайно редких случаях компоненты спектрально-двойных звезд удается видеть раздельно в большие телескопы, так что такие звезды являются одновременно и спектрально- и визуально-двойными парами. Обычно же «спутники» спектрально-двойных звезд являются невидимыми: увидеть их отдельно от главных звезд невозможно даже с помощью самых мощных современных телескопов. Во многих случаях плоскость орбиты таких звездных пар наклонена к лучу зрения незначительно и один из компонентов пары при каждом обороте загораживает другого. Так как вследствие этого общий блеск (яркость) двойной системы изменяется, такие системы звезд названы затменно-переменными.
При сравнении двойных звезд с нашей планетной системой бросается в глаза, что между ними нет даже отдаленного сходства. Ведь солнечная система имеет ту характерную особенность, что масса Солнца во много раз превосходит массу каждой из планет системы. Оказывается, что масса Солнца превосходит массу Земли в 332 тысячи раз, а массу всех планет, вместе взятых, — почти в 750 раз. Даже самая большая из планет солнечной системы Юпитер (по объему она в 1 300 раз больше Земли) по своей массе почти в 1 000 раз меньше Солнца. Значит, почти все вещество солнечной системы сосредоточено в одном центральном теле этой системы — в Солнце.
 |
Орбиты спутников Юпитера. |
Что же касается двойных звезд, то у них наблюдается совершенно иная картина распределения масс между компонентами: обычно обе звезды всякой пары имеют если и не одинаковые, то мало различающиеся между собой массы. Можно считать установленным, что отношение масс двойных (и вообще кратных) звезд не бывает меньшим чем 1 : 10. Таким образом, двойные звезды, как правило, представляют собою системы, которые совершенно не похожа на нашу солнечную систему.
Следует ли отсюда, что наша планетная система является единственной во вселенной? Такое заключение обычно делают те ученые, которые пытаются в той или иной форме реабилитировать геоцентризм, уверяя, что если не Земля, то хотя бы солнечная система занимает исключительное положение во вселенной. Так, английский астроном Джинс (1877— 1946) отстаивал взгляд, что образование планет представляет собой не необходимое и нормальное, а случайное и чрезвычайно редкое явление в эволюции звезд. Он утверждал, что жизнь на Земле следует считать «сравнительно большей частью всей жизни вселенной», т. е. жизнь на нашей планете это чуть ли не исключительное явление во вселенной. Конечно, за эту мысль цепко ухватились фидеисты разных мастей, так как от нее недалеко до вывода, что вселенная существует только для Земли, что человек занимает избранное место в космосе.
Однако нет никаких оснований думать, что таких систем, как солнечная, больше не существует. Сам Джинс не мог не отметить, что если у других солнц и имеются планеты, то эти тела «слишком малы и далеки, чтобы их наблюдать». В самом деле, представим себе, что вокруг ближайшей к нам звезды альфа-Центавра, отстоящей от нас на 4,3 световых года, т. е. в 270 тысяч раз дальше Солнца, обращается такая гигантская планета, как Юпитер. Позволяют ли нам современные инструментальные астрономические средства обнаружить у звезды спутника такого рода?
С Земли такая далекая планета по своей яркости должна казаться звездочкой меньше даже 22-й звездной величины. Самый мощный современный телескоп не дает возможности обнаружить такого слабого, не излучающего собственного света спутника непосредственными наблюдениями, даже на фотоснимках1. К тому же чрезвычайно слабый свет планеты должен совершенно потеряться для наблюдателя в лучах яркой центральной звезды. Словом, открыть систему «звезда-планета» как двойную звезду визуально, т. е. наблюдением в телескоп, невозможно даже и в том случае, когда эта система находится на сравнительно небольшом расстоянии.
Что же касается других способов, применяемых для обнаружения и изучения двойных звезд, то в данном случае почти все они тоже оказываются бессильными. Объясняется это тем, что вследствие незначительности массы и размеров планет их влияние на звезды, вокруг которых они обращаются, ничтожно мало во всех отношениях. Если планета затмевает звезду, то эта звезда все же не может быть обнаружена как затменно-переменная: планета перехватывает при затмении так мало света у своего солнца, что ослабление блеска звезды-солнца совершенно ускользает от наблюдателя-фотометриста. Система «звезда — планета» не может быть обнаружена и как спектрально-двойная звезда, т. е. путем наблюдения смещения спектральных линий, ибо планета обладает столь малой яркостью, что не дает заметных спектральных линий и вследствие своей малой массы не сообщает звезде заметного движения по лучу зрения.
Все же, однако, существует один вполне проверенный и надежный способ открытия вокруг звезд невидимых спутников. Этот способ требует проведения чрезвычайно точных наблюдений положения звезды на небосводе. Он основан на учете тех незначительных возмущений, которые невидимый спутник оказывает на движение своего главного тела.
Движение системы, состоящей из двух звезд или из звезды и планеты, совершается вокруг их общего центра массы, т. е. около центра тяжести всей системы. Около этой точки описывает свой эллиптический путь не только невидимое тело (спутник, планета), но и центральная звезда — единственно видимый нами член системы. Размеры же этой орбиты должны быть тем больше, чем больше масса невидимого тела по отношению к массе звезды. Учитывая все это, перенесемся мысленно на одну из ближайших к нам звезд и посмотрим оттуда на движение нашего Солнца вокруг центра тяжести солнечной системы.
Больше всего на движении в мировом пространстве Солнца должно сказаться влияние Юпитера — самой большой из планет солнечной системы. Расстояние между Солнцем и Юпитером составляет округленно 780 млн. км, а масса Солнца в 1 000 раз превышает массу Юпитера. Центр масс или центр тяжести системы Солнце — Юпитер» находится на прямой линии между этими телами, причем он в 1 000 раз ближе к Солнцу, чем к Юпитеру. Следовательно, неправильно считать, будто Юпитер движется вокруг Солнца: в действительности и Юпитер (как и все планеты вообще) и Солнце обращаются по эллиптическим орбитам вокруг центра тяжести всей солнечной системы. Радиус пути, описываемого Солнцем вокруг центра тяжести системы, составляет почти 740 тыс. км, в то время как радиус пути, описываемого Юпитером вокруг Солнца, равен приблизительно 770 млн. км.
 |
Периодические колебания в движении Сириуса, по которым было сделано заключение о существовании спутника, притягивающего звезду. Пунктирная линия показывает движение Сириуса, если бы он не подвергался возмущениям. |
Солнечный свет, отражаемый Юпитером, будет, конечно, настолько слабым, что визуально обнаружить его присутствие нельзя с соседней звезды. Но у астронома, находящегося около этой звезды, все же есть возможность обнаружить то движение Солнца, которое вызывается притяжением (возмущением) Юпитера: наблюдения показали бы, что Солнце, совершающее обращение вокруг общего центра тяжести, смещается относительно некоторой точки в одну и другую сторону с периодом около 12 лет. Конечно, понадобились бы чрезвычайно точные определения угловых смещений Солнца на небесной сфере, так как упомянутое расстояние, рассматриваемое даже с ближайшей звезды, должно быть видимо под очень малым углом.
Итак, если вокруг ближайших к нам звезд обращаются тела малой массы, их существование может быть обнаружено путем изучения движения этих звезд, для чего необходимо в течение продолжительного времени производить точные определения их положений на небосводе. Именно этим путем Бессель в 1844 г. теоретическим путем открыл существование невидимых в то время спутников двух звезд — Сириуса и Проциона.
Изучая собственно движение Сириуса, Бессель обнаружил, что между координатами этой звезды, определенными в разные годы, имеются систематические «неувязки», отклонения от прямолинейного равномерного перемещения по небосводу то в одну, то в другую сторону. Период их изменения составляет около 50 лет, причем эти периодические колебания невелики, достигая лишь 2—3 секунд дуги. Все же эти величины не могли быть результатом ошибок наблюдения: они показывали, что движение Сириуса является змеевидным или волнообразным. Они навели Бесселя на мысль, что близ Сириуса имеется не обнаруженный еще тогда спутник, обращающийся вокруг общего центра тяжести системы (пары звезд) с периодом в 50 лет и, смещающий главную звезду то в одном, то в другом направлении.
Мы уже знаем, что такое же предположение Бессель сделал относительно Проциона и что оба они блестяще подтвердились. Однако спутники этих звезд оказались телами сравнительно большой массы, — не планетами, а только компонентами систем двойных звезд.
Никаких фактических данных о существовании у ближайших звезд спутников планетного типа, т. е. тел сравнительно небольшой массы, до самого последнего времени не было. Лишь в 1938 г. благодаря успехам техники астрономических наблюдений (фотографической астрометрии) шведский астроном Эрик Хольмберг сообщил о своем замечательном исследовании, которое начало собой как бы новую эру в изучении невидимых спутников звезд.
Для выявления параллакса и собственного движения звеьд с помощью особых астрографов (длиннофокусных фотографических телескопов) делаются снимки положений звезд, повторяемые в течение многих лет. Измерения на полученных фотоснимках дают возможность определять положение звезд на небесной сфере с точностью до сотых долей угловой секунды. Изучая такие снимки, Хольмберг, подобно Бесселю, обнаружил небольшие отклонения в движениях нескольких звезд и увидел в этом указание на то, что у этих звезд имеются спутники планетного типа. У восьми звезд отклонения эти оказывались меняющимися за период от 1,4 до 3 лет, т. е. гораздо короче, чем у Сириуса. Для четырех же из них Хольмбергу даже удалось приблизительно определить массы невидимых спутников. Оказалось, что они весьма незначительны — порядка всего лишь 0,03—0,02 солнечной массы. Так что они в известной мере напоминают именно планеты.
Эти четыре звезды следующие: О2 Эридана В., Проксима1 Центавра, 61 Лебедя А и 61 Лебедя В. Из них особый интерес представляет Ближайшая Центавра — красная звезда, карлик 10½ звездной величины, находящаяся от нас почти на том же расстоянии, как и альфа-Центавра, и являющаяся ее спутником. Эта звезда с массой всего только ОД солнечной массы имеет, по Хольмбергу, невидимого спутника с массой 0,0018 солнечной массы, так что для этой звезды отношение масс равно 56, и, следовательно, только в 18½ раз больше, чем для Солнца и Юпитера. Масса этого спутника в 560 раз меньше массы нашего Солнца, т. е. она превышает Юпитера меньше, чем в два раза, и поэтому такое небольшое тело уже не может считаться звездой: оно значительно приближается к планете.
Хольмберг отметил, что приближенное предварительное обследование 240 близких к нам звезд показало, что примерно у 25% из них имеются периодические колебания в собственном движении. Такие колебания, по мнению Хольмбер-га, бесспорно указывают на присутствие у этих звезд невидимых спутников планетного типа. Так что системы, подобные нашей планетной системе, нельзя уже считать очень редкими во вселенной.
Этот вывод был встречен многими астрономами хотя и с интересом, но с значительной осторожностью. Однако в 1942— 1943 гг. он получил подтверждение в работах, произведенных Страндом и, независимо от него, Рейлем при помощи еще более точных фотографических методов исследования. О трудности этих исследований можно судить хотя бы по тому, что наибольшая величина обнаруженных колебаний в движении звезд лишь немногим больше 0,03 угловой секунды.
Странд, как и Хольмберг, заинтересовался визуально-двойной звездой 61 Лебедя (оба компонента ее имеют примерно одинаковую массу — 0,58 и 0,55 массы Солнца) и исследовал ее особенно детально. Оказалось, что одна из видимых звезд этой пары (какая именно — пока что остается неопределенным) имеет невидимого спутника, который описывает свою эллиптическую орбиту в течение 4,9 года. Масса этого спутника равна 0,016 солнечной, т. е. всего лишь в 60 раз меньше солнечной (стало быть, в 34 раза меньше массы главной звезды), так что она только в 16 раз больше массы Юпитера.
Еще меньшего спутника, с массой всего лишь в 0,012— 0,008 солнечной, Рейль и Хольмберг открыли в другой визуально-двойной звезде в системе 70 Змееносца. Это тело движется вокруг одной из этих двух видимых звезд (но опять-таки пока еще неизвестно, вокруг какой именно); по своей массе оно примерно только в 10 раз больше Юпитера. Втрое крупнее оказался невидимый спутник, который Рейль обнаружил у звезды 1244 каталога Цинциннати, — его масса равна 0,032 солнечной, что в 11 раз меньше массы главной звезды (равной 0,35 массы Солнца) и приблизительно в 30 раз больше массы Юпитера.
Итак, в самые последние годы несколько астрономов, работая независимо друг от друга, обнаружили, что у некоторых звезд (из числа ближайших соседей нашего Солнца) имеются невидимые спутники с орбитальным движением вокруг них и притом малой массы. Правда, возможно, что величина массы спутника Ближайшей Центавра, определенная Хольмбергом, является спорной. Но это почти не меняет существа дела, так как в результате исследований Странда мы можем считать несомненным существование у звезд невидимых спутников с массой порядка всего лишь 0,01 солнечной массы. Хотя эти тела по своей массе больше планет нашей солнечной системы, они все же значительно меньше звезд, являясь в этом отношении чем-то промежуточным между звездами и планетами. В связи с этим неизбежно возникает вопрос: чем же являются эти тела по своему физическому состоянию — звездами или планетами?
Этот важный вопрос подробно разобрал астрофизик Ресселл, привлекший сюда самые разнообразные соображения.
В итоге он пришел к выводу: для нас должно быть «практически достоверно», что новооткрытые невидимые спутники звезд являются темными телами, светящими отраженным светом, и что поэтому эти объекты с полным основанием могут быть названы настоящими планетами. При этом Ресселл напоминает, что одно время Юпитер и Сатурн считались (ошибочно) телами горячими, почти светящимися, как бы «полусолнцами», и что, несмотря на это, тогда все же никто не стеснялся называть их планетами. К тому же, если даже и считать, что новооткрытые объекты являются лишь «полупланетами», это не дает нам никаких оснований думать, что рядом с ними нет подлинных планет — тел земного типа. И в нашей солнечной системе массы планет весьма разнообразны: масса Юпитера больше массы Земли в 317 раз, а масса Земли больше массы Меркурия в 24 раза, т. е. масса Юпитера превышает массу Меркурия более чем в 7 600 раз. Такое же разнообразие масс, конечно, может иметь место и в далеких планетных системах: наряду с планетами гигантских размеров там могут быть и сравнительно небольшие планеты.
Все это показывает, что открытие планет около звезд не только представляет специально астрономический интерес, но и имеет исключительно важное философское значение, затрагивая коренные вопросы общего мировоззрения. Оно не только уничтожило представление об изолированном, исключительном положении солнечной системы, но и опровергло мление, будто планетные системы чрезвычайно редки во вселенной. Следовательно, повторяем, прав был Джордано Бруно, учивший о множественности систем, подобных солнечной.
Что процент звезд, имеющих планеты, должен быть значителен, вытекает хотя бы из того, что новооткрытые малые спутники, о которых мы говорили, относятся к звездам, находящимся от нас не дальше, чем на 16 световых лет; на таком расстоянии известно не больше 200 звезд. Только незначительное число из них было до сих пор исследовано надлежащим образом, чтобы иметь возможность открыть невидимых спутников, если они существуют. Но и у исследованных звезд удалось открыть только наиболее массивные планеты, — малых планет может существовать еще больше.
Недаром даже Джинс, говоривший об исключительности нашей планетной системы во вселенной, в 1944 г. вынужден
В книге нет листа
...верхности Марса, сделанное при помощи особого прибора («термопары»), показало, что климат на нем более суров, чем на Земле, но все же не настолько, чтобы возникновение и развитие жизни стало невозможным.
Бесспорно доказано, что на Марсе, где так же имеет место смена времен года, происходят сезонные изменения в окраске темных пятен: весной они зеленеют, а осенью становятся бурыми. Эти сезонные явления совершенно сходны с цветовыми изменениями растительного покрова на земном шаре и наталкивают на мысль, что на Марсе существует растительность. В связи с этим очень важно, что в самое последнее время установлено наличие в атмосфере Марса углекислоты. А углекислота—это источник развития растений: растения разлагают атмосферную углекислоту на углерод и кислород; углерод они поглощают, а кислород отдают обратно в атмосферу, делая ее пригодной для дыхания животных.
Все же точно установить наличие растительности на Марсе до последнего времени не удавалось. Однако советские астрономы показали, что это вполне возможно при помощи имеющихся у нас средств исследования.
Выдающийся советский астроном академик В. Г. Фесенков обратил внимание на то, что в земных условиях можно безошибочно убедиться в наличии растительности просто по характеру отражения различных лучей. Всякая живая растительность: листья, деревья, хвоя, трава, лишайник и пр. — сильнее всего отражает зеленые лучи определенной длины волны, ибо таким именно свойством обладают хлорофилловые зерна, содержащиеся в растениях. Применив этот критерий к поверхности Марса, академик Фесенков проанализировал наблюдения Марса, произведенные советским астрономом В. В. Шароновым при помощи различных светофильтров (цветных стекол). Он показал, что отражательная способность так называемых континентов этой планеты очень напоминает земные пески несколько красноватого оттенка. Напротив, так называемые марсианские «моря», т. е. места поверхности Марса, которые имеют сине-зеленый оттенок, отражают лучи, как зеленая растительность. На этом основании Фесенков сделал следующий вывод: «Представляется очень вероятным, что в области марсовых «морей» действительно имеется живая растительность, приспособившаяся к жестоким климатическим условиям этой планеты и к разреженности ее атмосферы».
Этот вывод прекрасно согласуется с результатами исследовании Марса, сделанных другим замечательным советским астрономом, членом-корреспондентом Академии наук Г. А. Тиховым. Его работы знаменуют собой новую эру в изучении Марса. Г. А. Тихов не только получил весьма убедительные данные о существовании на Марсе зеленой растительности, но и начал успешно изучать отличительные особенности жизни растений на этой планете.
 |
Г. А. Тихов |
Поскольку Марс и Земля находятся в различных физических условиях, развитие растительного мира на этих планетах должно было итти самостоятельно, своими путями. Например, Марс получает меньше солнечной энергии, чем Земля, и поэтому естественно допустить, что растительность Марса должна приспособиться так, чтобы бережнее, экономнее использовать полученную энергию.
Тихов на основании своих исследований, сделанных при помощи разработанных им методов, пришел к заключению, что марсианская растительность действительно лучше, полнее использует солнечную энергию, чем земная. Именно она поглощает большее количество лучей и меньшее количество их отражает в пространство. Вследствие этого растительность Марса имеет несколько голубоватый оттенок. Вместе с тем Тихов открыл, что наряду с сезонной растительностью на Марсе существует вечно зеленая растительность околополярного типа: она напоминает наши хвойные деревья, но приспособлена к суровым марсианским условиям —к холоду и сухости.
Выводы Г. А. Тихова, приведшие к созданию в СССР новой науки — астроботаники, науки о растительном мире других планет, имеют огромное научно-философское значение. Независимое образование зеленого аппарата растительности хлорофилла на Земле и на Марсе говорит о единстве и вместе с тем о многообразии основных проявлений жизни. Работы Тихова свидетельствуют о том, что в бесконечной вселенной жизнь принципиально не отличается от нашей, земной. Бесспорно, что на других планетах могут существовать организмы, совершенно непохожие на растения и животных, существующих на Земле. Но все они, однако, состоят из протоплазмы, напоминающей нашу земную, и основу ее составляют белки, построенные из одних и тех же химических элементов: углерода, азота, кислорода и др. Поэтому несомненно, что на тех небесных телах, где могут образоваться и существовать белковые соединения, жизнь имеется. Энгельс учит, что жизнь есть не что иное, как форма существования белковых тел: в этой формулировке — ключ к решению вопроса о жизни во вселенной.
Возвращаясь к звездам, отметим теперь огромное значение обнаружения около звезд спутников планетного типа и для космогонии — науки, изучающей процессы образования мировых тел. Если системы, более или менее подобные солнечной, многочисленны, то возникновение планет, как правило, не может быть чем-то случайным: оно должно представлять собой необходимые, обязательные явления в процессе развития звезд. Такой вывод был сделан сразу же после опубликования исследований Хольмберга. В настоящее время он имеет вполне прочное основание, так что должен быть учтен каждой космогонической гипотезой.
Открытие далеких планетных систем есть дело исключительной трудности; это — одна из наиболее важных, интересных, имеющих большое будущее проблем астрономии.
