Тени звезд

Звезды с массивными невидимыми спутниками

Слабо светящие и невидимые объекты часто искажают движение видимых звезд. Наблюдения за некоторыми звездами в течение многих лет показывают, что они движутся в пространстве по некоему эллипсу, но другой компонент такой звездной системы остается невидимым, хотя он должен быть достаточно массивным для того, чтобы влиять на движение видимой звезды. Такие звезды называются астрометрическими двойными, или звездами с массивными невидимыми спутниками². Невидимый спутник впервые проявился в наблюдениях Сириуса (ярчайшей звезды), обработанных Фридрихом Бесселем в 1844 г. А в 1862 г. спутник Сириуса был открыт с помощью одного из лучших телескопов; он оказался слабо светящей, но очень массивной и плотной звездой - белым карликом. В последние годы звезды с невидимыми спутниками исследуются все интенсивнее³.

Обычная звезда медленно перемещается по дуге большого круга небесной сферы, можно сказать, движется прямолинейно. Если звезда входит в двойную или кратную систему, то, конечно, движется на небе не по прямой, но почти всегда виден компонент, вызывающий такое движение. До недавнего времени было известно всего лишь несколько звезд, которые перемещались на небе по некой кривой без видимой причины. Они-то и являются упомянутыми выше астрометрическими двойными звездами, или звездами с невидимыми спутниками.

Из сказанного ясно, как обнаружить такую звезду: нужно определять ее положение на небесной сфере (координаты звезды) в течение некоторого времени, затем нанести результат на график и убедиться в том, что звезда движется по кривой. Координаты на небесной сфере аналогичны географическим координатам на Земле - долготе и широте - и называются соответственно прямым восхождением и склонением. Измерением координат звезд занимается раздел астрономии, называемый астрометрией (отсюда - "астрометрические двойные звезды"). В результате многовековых наблюдений составлены каталоги координат и других характеристик миллионов звезд⁴. Большой вклад в составление таких каталогов в XIX-XX вв. внесла Пулковская обсерватория. Но обнаружение криволинейного движения звезды - непростая задача: даже для открытия близкой звезды с невидимым спутником необходимо много лет измерять координаты звезды на небесной сфере с погрешностью меньше 0.1 угловой секунды, что равносильно измерению толщины человеческого волоса на расстоянии 100 метров! Это предел возможностей обычных наземных телескопов.

Проект "HIPPARCOS"

В 1989 г. Европейское космическое агентство запустило в околоземное пространство специальный спутник для измерения расстояний до звезд, их координат и других характеристик. Проект, готовившийся в течение десятка лет и реализованный в 1989-1993 гг., получил название "HIPPARCOS". Эта аббревиатура, расшифровывающаяся как High Precision Parallax and Coordinate Satellite ("Спутник для высокоточного определения параллаксов и координат"), созвучна имени древнегреческого астронома Гиппарха, который составил первый в истории астрономии список 850 ярких звезд на небе, разделил звезды по яркости на шесть величин, ввел понятия географических широт и долгот, разработал способ предсказания солнечных и лунных затмений. В результате работы аппарата "HIPPARCOS" получен Каталог "HIP" с координатами и другими характеристиками 118 тысяч самых ярких звезд⁵. Координаты звезд для Каталога "HIP" измерены со средней погрешностью около 0.001 угловой секунды - это аналогично измерению толщины человеческого волоса на расстоянии 10 километров! Кроме того, впервые точно определены расстояния до более чем 100 тыс. звезд. Спутником "HIPPARCOS" открыты 2910 звезд с криволинейным перемещением по небу (т.е. звезд с невидимыми спутниками).

Рис. 1 Криволинейное движение звезды по небесной сфере, вызванное невидимым массивным небесным телом.

Охота на невидимку

За четыре года наблюдений спутник "HIPPARCOS" смог лишь обнаружить криволинейное перемещение множества звезд по небу. Для многих из них период обращения видимой звезды вокруг невидимого центра звездной системы составляет десятки лет, и чтобы увидеть полноценную замкнутую орбиту звезды в пространстве, необходимо наблюдать звезду в течение длительного времени. Только тогда можно определить важные характеристики звездной системы с невидимым объектом: общее число звезд, планет и других тел в звездной системе, расстояние между ними, их массу, период обращения и другие элементы орбиты каждого тела звездной системы. Выходит, для исследования всякой звезды с невидимым спутником надо ждать десятилетия, пока звезда не замкнет орбиту?

Оказывается, звезды с невидимыми спутниками можно изучать и сегодня по старым наблюдениям положений звезд на небе, выполненным с Земли! Конечно точность наземных наблюдений намного хуже, чем результатов спутника "HIPPARCOS" (примерно в 100 раз!). Но зато наземные наблюдения выполняются на разных телескопах уже более 100 лет. Как же объединить точные наблюдения спутника "HIPPARCOS" и длительные наземные наблюдения? Над этим работают несколько групп ученых в институтах и обсерваториях разных стран. В России, в Пулковской обсерватории (Главной астрономической обсерватории Российской академии наук) наша группа проводит исследования по этой теме при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований⁶.

Точность + Длительность

Положение одной и той же звезды на небе определялось разными наземными телескопами в разные годы. И казалось бы, можно просто сравнить эти положения звезды и увидеть как звезда "петляет" на небе. Но каждый телескоп несовершенен и находит положение звезды с какой-то ошибкой. Даже если наблюдать звезду одним телескопом много лет, никогда не ясно, "петляет" ли звезда на небе, или очень медленно покачивается сам телескоп. Как исправить ошибки подобных измерений, и удастся ли это сделать? Оказывается, для исправления наземных измерений можно использовать космические измерения спутника "HIPPARCOS", ведь они практически безошибочны!

Допустим, координата звезды в каком-то каталоге, составленном по данным наземного телескопа, отличается от координаты той же звезды в Каталоге "HIP", полученном спутником "HIPPARCOS". Ошибочны ли наземные измерения, или звезда изменила свое положение на небе? Нам пришлось разделить все звезды на две группы:
- подавляющее большинство звезд, даже если они и имеют какие-то невидимые спутники, никак этого не проявляют. На современном этапе развития астрономии мы можем считать такие звезды одиночными;
- меньшинство звезд - известные или подозреваемые двойные и кратные звездные системы. Сам спутник "HIPPARCOS", например, открыл (но не исследовал!) тысячи таких систем.

Одиночные звезды перемещаются на небе по прямой известным нам образом, поэтому если координата одиночной звезды на небе, определенная наземным телескопом, отличается от координаты, измеренной спутником "HIPPARCOS", то налицо ошибка наземного телескопа, которую можно вычислить. Таким образом мы можем узнать и исправить неточности наземных измерений. Предполагая, что наземный телескоп одинаково ошибается при измерениях для одиночной и двойной звезд на одну и ту же величину, мы корректируем измерения и для двойных звезд. Теперь оставшиеся изменения в положении звезды, по данным разных каталогов, отражают ее реальное перемещение по небу. Так мы можем сравнивать и анализировать измерения положений звезд с невидимыми спутниками, выполненные на разных телескопах в разные годы. В качестве примера на рисунке показаны результаты наблюдений положения звезды в созвездии Цефея (у нее есть имя - Алрай и номер 116727 из Каталога "HIP"). Эта звезда весьма интересна: старая красная звезда с массой, как у Солнца, довольно близка к нам и, возможно, имеет планетную систему. Невидимый спутник этой звезды, вызывающий ее орбитальное движение, должен быть весьма массивным. Скорее всего это белый карлик. По нашим данным можно достаточно уверенно указать, где именно на небе стоит искать его в ближайшие годы.

Рис. 2 Изменение со временем небесных координат звезды Цефея: точками отмечены результаты наземных астрометрических наблюдений в разные годы. Толстой кривой около 1990 г. отмечен результат спутника "HIPPARCOS", по всем результатам проведена тонкая кривая - часть видимой орбиты звезды вокруг невидимого центра звездной системы, примерное положение которого показано звездочкой. Отмеченные годы отражают положение звезды на орбите. Координаты даны в угловых секундах. Наблюдения в течение 70 лет не покрывают всю орбиту (тонкая кривая незамкнута), полный период обращения - более 100 лет.

Подобные результаты получены нами для нескольких десятков ярких звезд. Для каждой из них определены период обращения и другие характеристики членов звездной системы, включая предполагаемое положение массивного невидимого тела. Без этих данных обнаружение невидимых спутников звезд с помощью больших телескопов практически невозможно: ведь чем больше телескоп, тем меньшую область неба он видит одновременно, и лучшие телескопы потратили бы много лет на поиск "невидимки" в разных участках неба около звезды. Мы намерены исследовать все 2910 звезд с массивными невидимыми спутниками из Каталога "HIP" и составить первый в мире список этих удивительных объектов. Это позволит другим ученым искать невидимые массивные спутники звезд с помощью крупнейших телескопов на Земле и в космосе.

Назад