Судьба планетных систем

Г. М. Рудницкий

Государственный астрономический институт им. П.К. Штернберга

 

 

В средствах массовой информации любимые страшилки для широкой публики – вселенские катастрофы: обвал земного климата, падение астероида, поглощение Солнечной системы черной дырой, грядущий взрыв Солнца. Еще опасности из космоса, которыми порадовал журнал "Русская Америка": близкая вспышка сверхновой; возможно, таковой станет красный гигант Мира, который уже начал "подозрительно пульсировать". Этот гигант в несколько сотен раз больше Солнца, а чем больше звезда, "тем больше вероятность взрыва". Оставляя на "совести" авторов цитированных публикаций всякую ахинею, которая к науке отношения не имеет, попытаемся извлечь рациональное зерно: что же ожидает Солнце и нашу планетную систему в будущем – и не только нашу. В последние годы более чем у сотни близких звезд обнаружены планетные системы. Оказывается, и планеты не вечны. Особенно печальная судьба ждет планеты, близкие к своим звездам. Какая именно – об этом и говорится в данной статье.

Место красных гигантов в эволюции звезд

 

Так продолжал я передвигаться во времени огромными скачками, каждый в тысячу лет и больше, увлеченный тайнами судеб Земли и в состоянии какого-то гипноза наблюдая, как Солнце на западе становится все огромней и тусклей, как угасает жизнь. Наконец, больше чем через тридцать миллионов лет огромный красный купол Солнца заслонил собой десятую часть потемневшего неба.       Герберт Уэллс. "Машина времени"

Солнце – рядовая звезда спектрального класса G2. Оно занимает место примерно в середине диаграммы Герцшпрунга–Рессела (Г–Р). По горизонтальной оси диаграммы отложен спектральный класс звезды, по вертикальной – светимость. Спектральный класс звезды определяется ее температурой. Наиболее горячие звезды расположены в левой части диаграммы Г–Р, наиболее холодные – в правой. Однако точки, изображающие звезды, не заполняют диаграмму равномерно. По диагонали диаграммы проходит полоса, где плотность точек наибольшая. Это так называемая главная последовательность. Звезды на главной последовательности проводят большую часть своей жизни, но рано или поздно покидают ее, что бы перейти в другое состояние. В течение эволюции звезды меняются и ее температура, и ее светимость. Точка, соответствующая звезде, перемещается по диаграмме. Кривая, по которой перемещается точка – так называемый эволюционный трек звезды. Конечно, диаграмма Г–Р – это как бы застывший мгновенный снимок. Но теория звездной эволюции позволяет для звезды любой массы проследить ее эволюционный трек на диаграмме Г–Р. Области или полосы на диаграмме, наиболее заполненные звездами, могут рассказать о том, куда направляются звезды в течение своего жизненного пути – в том числе и после пребывания на главной последовательности диаграммы Г–Р.

Наше Солнце – одна из звезд главной последовательности – находится примерно в середине длительного стабильного этапа своей жизни. Возраст Солнца около 5 миллиардов лет, и за все время его светимость менялась не более чем на 30% без каких-либо резких скачков. Это позволило нашей планетной системе существовать в почти неизменных условиях, дало жизни возможность возникнуть и развиться, по крайней мере, на одной планете Солнечной системы – на Земле. Однако в свое время – через примерно 5.7 млрд. лет – спокойная жизнь для Солнечной системы закончится. Согласно теории звездной эволюции, все звезды, имеющие массу от одной до нескольких масс Солнца (M_o), на заключительном этапе вступают в фазу красного гиганта. Основная причина перехода к красному гиганту – перестройка процессов ядерного горения в недрах звезды. На главной последовательности основной источник энергии в звездах – превращение водорода в гелий.

Внутреннее строение красного гиганта

Когда в ядре звезды исчерпано водородное горючее, начинается сжатие ядра. Температура повышается до ~10⁸ K, и становятся возможными ядерные реакции, приводящие к образованию из трех ядер гелия одного ядра углерода-12: 3 ⁴He ¹²C. Реакция углерода с гелием приводит к образованию кислорода: ¹²C + ⁴He ¹⁶O. Затем и гелий в ядре заканчивается. Звездное ядро к этому времени состоит в основном из углерода с примесью изотопов кислорода и более тяжелых элементов. В двух слоях, окружающих ядро, ядерные реакции продолжаются: в прилегающей к ядру оболочке продолжает гореть гелий, в более внешней – водород. Радиус звезды увеличивается многократно, от величин порядка одного радиуса Солнца (R_o) до сотен R_o. У звезды развивается мощная конвективная зона, которая занимает до 99.9% радиуса звезды (R_*). Температура поверхности падает до 2000–3000 K, но светимость возрастает за счет увеличения размеров звезды и достигает нескольких тысяч светимостей Солнца. В это время звезда быстро (звезды солнечной массы – за несколько миллионов лет) перемещается на диаграмме Г–Р с главной последовательности сначала на горизонтальную ветвь, где ее светимость меняется мало, а температура падает. Затем звезда вступает на ветвь красных гигантов, а затем поднимается еще выше, к вершине своей эволюции на диаграмме Г–Р и достигает асимптотической ветви гигантов (АВГ). АВГ была названа так потому, что звезды разных масс за разное время "асимптотически" приближаются примерно к одной и той же области диаграммы Г–Р.

Когда звезда находится на АВГ, она начинает интенсивно терять вещество. Образуется протяженная газопылевая оболочка, которая, расширяясь, рассеивается в межзвездной среде. Скорость потери массы у разных звезд – красных гигантов может достигать 10^-7–10^-5 M_o/год. Стадия потери массы на АВГ – от нескольких сотен тысяч до нескольких миллионов лет – очень кратковременна по сравнению со временем жизни звезды солнечной массы на главной последовательности. Звезда с массой порядка солнечной растрачивает на АВГ значительную часть своего вещества. По мере того, как звезда освобождается от внешних холодных слоев, ее температура быстро растет, и звезда быстро смещается влево по диаграмме Г–Р. Этому состоянию соответствует ветвь Пост АВГ ("после асимптотической ветви"). В результате конвективная оболочка полностью сбрасывается, и от звезды остается вырожденное ядро – белый карлик с температурой поверхности до 50 000 K, который не имеет ядерных источников энергии и в последующем медленно остывает. Звезда на диаграмме Г–Р быстро "падает" вниз, в область белых карликов. Сброшенная околозвездная оболочка ионизуется под действием ультрафиолетового излучения горячего белого карлика и образует вокруг него планетарную туманность. Так заканчивают свой жизненный путь звезды солнечного типа. Впервые подобная идея была высказана советским астрофизиком И.С. Шкловским в 1956 г. (Астрон. журнал, т. 33, N 3, с. 315–329), который обратил внимание, что ядро красного гиганта – это готовый белый карлик, которому остается лишь освободиться от окружающей оболочки. В настоящее время эта схема эволюции является общепринятой.

О внесолнечных планетных системах

До недавнего времени Солнечная система оставалась единственной известной нам планетной системой во Вселенной. Как обнаружить планету около другой звезды? Самый прямой способ – поиск в окрестностях звезды при помощи крупного телескопа. Однако планета сама не светится, а лишь отражает свет звезды, причем малую его долю. Если планета близка к звезде, этот слабый отраженный свет будет "тонуть" в лучах самой звезды. Если же планета далеко, то отделить ее от звезды проще, но и отраженный свет окажется слабее. Прямые наблюдения планет около ближайших звезд – дело будущего,

Влияние планеты на лучевую скорость звезды V* при движении вокруг общего центра тяжести

хотя и недалекого. Пока используются только косвенные методы поиска внесолнечных планет. Самый старый из них – астрометрический – поиск невидимых спутников по отклонениям в собственных движениях звезд на небесной сфере, к сожалению, не дал достоверных результатов.

Другой метод обнаружения планет вокруг звезд использует эффект Доплера. В настоящее время этот метод – основной; им обнаружены почти все известные внесолнечные планетные системы. Если звезда имеет планету, обе они обращаются вокруг общего центра тяжести. Звезда движется по малой орбите и с маленькой скоростью, планета – по большой орбите, с большой скоростью. Средняя скорость движения планет по орбитам – десятки километров в секунду, а скорость движения звезды вокруг центра тяжести под действием планеты – несколько метров или десятков метров в секунду. Задача состоит в том, чтобы по смещениям линий в спектре звезды измерить скорость этого движения.

Затмение звезды HD 209458 планетой (Copyright Lynette Cook)

Здесь наибольшие шансы на успех, если орбита планеты видна "с ребра". Тогда доплеровские смещения линий в спектре звезды, вызванные движением звезды вокруг общего центра тяжести системы, будут максимальными.

Еще один способ обнаружения планет вокруг других звезд – "затменный", или "транзитный". В этом методе наблюдатели ищут небольшие периодические ослабления блеска звезды, когда планета в своем движении проходит по диску звезды ("затмевает" звезду). И в этом случае (как и в доплеровском методе) необходимо, чтобы орбита планеты наблюдалась "с ребра", тогда есть шанс увидеть затмение. Если угол наклона плоскости орбиты к картинной плоскости i не очень сильно отличается от 90?, есть вероятность, что планета пройдет по диску звезды. Затмение может происходить только в узком диапазоне углов i вблизи 90?; если оно наблюдается, то, зная примерно угловой размер диска звезды, сразу можно наложить жесткие ограничения на величину наклонения орбиты и тем самым точнее оценить массу планеты. Планета гораздо меньше звезды и может закрыть только малую часть звездного диска. Поэтому блеск звезды во время затмения ослабнет очень немного, на тысячные доли звездной величины. Транзитный метод применяется для поиска планетных систем в рамках польско-американского эксперимента по поиску гравитационных линз OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment), первичной целью которого был поиск носителей "темной материи" по изменениям блеска звезд, когда объект проходит между звездой и Солнцем.

Наконец, разрабатываются проекты прямых наблюдений планет у других звезд. Планируется несколько космических миссий с такой задачей. Один из ближайших запусков, миссия Кеплер, намечен NASA на 2006 год. NASA ведет также работу над проектом TPF – Terrestrial Planet Finder (Поиск планет земного типа). TPF будет иметь четыре зеркала по 3.5 м каждое и будет работать в режиме интерферометра инфракрасного диапазона. Запуск космического аппарата TPF может быть осуществлен после 2010 года. Другой проект разрабатывается Европейским космическим агентством, это космический интерферометр Darwin. Он будет состоять из 10 отдельных телескопов, обращающихся на околоземной орбите вблизи друг друга. Телескопы будут связаны лазерной связью. Системы телескопов TPF и Darwin будут иметь чувствительность и угловое разрешение во много раз выше крупнейших наземных инструментов. Тогда, возможно, удастся увидеть внесолнечные планеты непосредственно.

Последнее десятилетие XX века – время настоящего прорыва в исследованиях других планетных систем. Доплеровские наблюдения над многими звездами, начатые на нескольких обсерваториях в 1991 году, принесли сенсационные результаты. Оказалось, что очень многие из близких к Солнцу звезд обладают планетными системами. Первая внесолнечная планета была открыта при помощи доплеровского метода в 1995 году Майором и Келозом (Женевская обсерватория) у звезды класса G2.5IV 51 Пегаса. С тех пор на 5 февраля 2005 г. было достоверно обнаружено 147 планет в системах вокруг 128 звезд; есть звезды (их 15), у которых найдено по 2–4 планеты. Подробнее об истории открытия внесонечных планетных систем можно прочитать здесь [1], [2], [3].

Большинство найденных планетных систем совершенно не похожи на нашу. Найденные планеты по своим свойствам напоминают планеты-гиганты Солнечной системы. Сказывается эффект наблюдательной селекции. Во-первых, чем массивнее планета, тем больший эффект она будет оказывать на свою звезду и тем больше будут изменения лучевой скорости звезды. Легче всего открывать планеты порядка массы Юпитера (1M_J0.001M_o) или больше. Во-вторых, чем короче период обращения T_pl, тем проще его обнаружить. При наблюдениях спектра звезды в течение месяца или двух уже можно увидеть периодические изменения в ее лучевой скорости, вызванные планетой. Некоторые планеты с массами 1–2 M_J имеют периоды обращения вокруг звезды чуть более суток, а их расстояние от звезды примерно в 40 раз меньше, чем расстояние от Земли до Солнца. Естественно, столь близкие к звездам планеты будут сильно нагреваться. Поэтому их называют "горячие Юпитеры".

Орбиты внесолнечных планет сильно различаются по величине эксцентриситета e. В Солнечной системе у большинства планет эксцентриситет орбиты небольшой. Так, у Земли орбита почти круговая, для нее e = 0.0167. Более всего вытянуты орбиты у Меркурия (e = 0.21) и Плутона (e = 0.24). В то же время в других планетных системах есть планеты с очень вытянутыми орбитами, с эксцентриситетом до 0.7.

Блестящим подтверждением результатов доплеровского метода явилось наблюдение затмения у звезды HD 209458. У нее планета с массой 1.43M_J была ранее обнаружена по изменениям лучевой скорости. Из найденных параметров орбиты были предсказаны ожидаемые моменты затмений. Продолжительность "затмения" – несколько часов. Планета у HD 209458 короткопериодическая, период обращения всего 3.5 суток; поэтому такие затмения можно наблюдать очень часто. Первые успешные результаты дал и транзитный метод в рамках программы OGLE: у четырех звезд солнечного типа найдены короткопериодические планеты.

Большинство звезд, у которых к настоящему времени открыты планеты, принадлежат к спектральным классам G главной последовательности; среди них есть также несколько красных карликов класса M. Обнаружение планет у красных гигантов – гораздо более трудная задача. Здесь не подходит ни один из перечисленных выше методов. Все известные яркие красные гиганты – звезды высокой светимости – находятся на расстояниях в сотни парсек от Земли. Их собственные движения очень малы. Для того чтобы найти в их движении малые отклонения, вызванные планетой, нужны сотни и тысячи лет высокоточных астрометрических наблюдений. Доплеровский метод годится лишь для относительно ранних красных гигантов, принадлежащих к спектральному классу K. Только у этих звезд можно найти в спектре достаточно узкие и резкие атомарные линии поглощения, которые дадут возможность измерять лучевую скорость звезды с необходимой точностью. Для более поздних звезд классов M, S, C с переходом на АВГ доплеровский метод становится неприменимым. Безнадежно также искать затмения: планета закрывает малую часть огромного диска красного гиганта, и блеск звезды во время затмения ослабеет на ничтожную величину; собственные вариации блеска красных гигантов гораздо больше. Прямые наблюдения планет у красных гигантов опять-таки вряд ли возможны по причине большой удаленности этих звезд. Тем не менее, по косвенным признакам все же можно определить, обладает ли красный гигант на стадии АВГ планетой. Как – об этом говорится в следующих разделах.

Судьба планетной системы

И мы потому лишь все вместе спаслись, Что к этому времени не родились.       Эдуард Успенский. "Вера и Анфиса".

Итак, после нескольких миллиардов лет, проведенных на главной последовательности, звезда с массой порядка солнечной перейдет в стадию красного гиганта. Радиус звезды возрастет сначала в несколько десятков, затем в несколько сотен раз и достигнет одной астрономической единицы. Если у звезды была планетная система, то на стадии АВГ более близкие планеты, с большими полуосями орбит a < 1 а. е., окажутся погруженными в атмосферу звезды. Планеты внутри зоны порядка одной астрономической единицы (в нашей системе это Меркурий и Венера) будут поглощены расширившейся атмосферой звезды, затормозятся в ней и, двигаясь по спиральной траектории к центру звезды, испарятся. Первыми сгорят "горячие Юпитеры", движущиеся на орбитах с большими полуосями в сотые доли астрономической единицы. Более удаленные планеты (такие, как Марс, Юпитер, Сатурн и т. д.), скорее всего, выживут. Неясна судьба планет на a ~ 1 а. е., в том числе Земли. Конечный результат в сильной степени зависит от принятой модели эволюции звезды, в том числе нашего Солнца. Изменение радиуса звезды на несколько процентов в сторону уменьшения может дать нашей планете шанс пережить стадию АВГ Солнца. Если же радиус красного гиганта Солнце окажется на несколько процентов больше, наша планета погибнет. Такое событие для стороннего наблюдателя может не пройти незамеченным. Пример тому – возможное поглощение планетной системы звездой V838 Единорога. В 2002 году эта звезда испытала подряд три вспышки с интервалом в несколько месяцев. До вспышки V838 Единорога, вероятнее всего, относилась к звездам главной последовательности класса F. После вспышки она эволюционирует к более низким температурам и более поздним спектральным классам. Большинство исследователей сочли звезду пекулярной новой. Была предложена и другая интерпретация: при быстром переходе к стадии красного гиганта V838 Единорога поглотила одну за другой три планеты, обращавшихся на близких орбитах; удалось, таким образом, застать редчайший момент гибели целой планетной системы.

Так может выглядеть планетная система Альдебарана ©right; John Whatmough 1998 (Extrasolar Visions)

Насколько часто могут наблюдаться подобные катастрофы? На сегодня поиск планетных систем доплеровским методом привел к открытию планет у нескольких красных гигантов и субгигантов спектральных классов K. Их параметры перечислены в таблице, составленной по данным Каталога внесолнечных планет Медонской обсерватории, Франция. Среди проэволюционировавших звезд это, если можно так выразиться, еще "молодняк". Радиусы этих звезд от 4 до 23R_o; они пока не "глотают" свои планеты, им только предстоит разрастись до размеров типичных звезд АВГ. Эти звезды находятся в начальной стадии перехода к красным гигантам. Планета с массой ~11M_J (не подтвержденная), возможно, обнаружена также у гиганта K5III Альдебаран (α Тельца), одной из наиболее ярких звезд зимнего неба. Радиус Альдебарана – половина расстояния от Солнца до Меркурия.

 

Таблица 1. Красные гиганты и субгиганты, у которых обнаружены планеты

Что планета может сделать со своей звездой?

Если планета пока не испарилась, что будет с ней, когда центральная звезда расширится почти до орбиты планеты? Планета, обращающаяся вокруг звезды с массой M_*~1M_o на расстоянии в 1 а.е., движется со скоростью V_pl ~ 30 км/с. Если звезда достигла АВГ, то планета оказывается погруженной в среду с температурой ~2000 K и плотностью ~10¹²–10¹³ см^-3. При таких условиях скорость звука ~3.4 км/с. Движение планеты оказывается сильно сверхзвуковым, оно сходно с движением крупного метеоритного тела в атмосфере Земли. Образуется сильная коническая ударная волна, ионизующая газ и нагревающая его до 10 000–15 000 K.

Верхняя атмосфера звезды АВГ – достаточно разреженный газ, если подходить к ней с мерками для атмосфер звезд главной последовательности: у основания хромосферы Солнца плотность достигает 10¹⁶ см^-3. По земным понятиям, атмосфера красного гиганта – вообще глубокий вакуум. В столь разреженной среде планета хоть и тормозится, но не очень сильно. Оценки показывают, что в течение стадии АВГ (которая занимает не более одного миллиона лет) большая полуось планетной орбиты уменьшится из-за торможения не более чем на 20%. Масса планеты невелика по сравнению с массой звезды. Тем не менее, движение планеты типа Юпитера может оказать сильное влияние на саму звезду и на ее оболочку, сброшенную после перехода к белому карлику.

Первое, что может сделать планета, – раскрутить свою звезду. Когда звезда главной последовательности уходит в красные гиганты и расширяется в сотни раз, ее вращение из-за сохранения момента многократно замедляется. Однако известны достаточно быстро вращающиеся красные гиганты. Возможный механизм такого ускорения – передача момента оболочке звезды от планеты, которая тормозится в атмосфере. Помимо непосредственного газодинамического воздействия ("сгребания" газа), планета оказывает приливное действие на звезду, что также способствует раскрутке. Пока звезда находится на АВГ, планета успеет значительно ускорить ее вращение. Известно, что угловой момент орбитального движения? Юпитера в 100 раз превышает вращательный момент Солнца. Согласно расчетам Н. Сокера, когда Солнце достигнет стадии АВГ и Юпитер начнет эффективно передавать момент своего орбитального движения околосолнечной оболочке, скорость вращения оболочки одной десятой от скорости движения Юпитера по орбите (на расстоянии ~5 а. е. от центра Солнца).

Планета способна обогатить красный гигант редкими для звезд такого типа изотопами, например, литием-6. Этот изотоп образовался на ранних стадиях эволюции Вселенной. Литий-6 быстро выгорает в ядерных реакциях, а в проэволюционировавших звездах он должен был давно исчезнуть. В последнее время все большую популярность завоевывает гипотеза, согласно которой литий мог попасть в атмосферу красного гиганта, когда звезда поглотила планету. В планете литий-6 хранился в "законсервированном" виде, пока планета не испарилась.

Планета, обращающаяся на подходящей орбите, может сделать красный гигант долгопериодической переменной звездой. Об этой возможности подробнее говорится в следующем разделе.

Близкие спутники оказывают серьезное влияние на процесс потери массы звездой. Движение планеты в верхней атмосфере и внутренней околозвездной оболочке красного гиганта приводит к нагребанию газа и аккреции вещества на планету. Это, а также и ускорившееся вращение звезды, нарушают сферическую симметрию потока вещества, теряемого звездой. Возможно, влиянием близких спутников объясняются причудливые формы многих планетарных туманностей: биполярные, в виде отдельных струй и даже многоугольные.

Наконец, планеты могут проявить себя даже после образования планетарной туманности вокруг бывшего красного гиганта. К тому времени центральная звезда уже станет белым карликом. Так, Сокер предложил искать в планетарных туманностях ионизованные следы планет. Излучение этих ионизованных "хвостов" может быть достаточно интенсивным для обнаружения современными наблюдательными средствами.

Мириды – красные гиганты с планетами?

Красный гигант Мира, удален от нас на 70 парсек, уже начал подозрительно пульсировать.       Журнал "Русская Америка", 4.02.2002

Красные гиганты класса K непеременны или слабо переменны. Не более 1% звезд K III принадлежит к подтвержденным переменным звездам. Однако, начиная со спектрального класса M1, доля переменных звезд возрастает. Многие красные гиганты на АВГ проявляют себя как переменные – долгопериодические (типа Миры Кита, или мириды) и полуправильные. Периоды (или точнее циклы) изменений блеска составляют от 100 до 600–700 и более суток. Амплитуды переменности у мирид достигают в видимой области спектра 10–11 звездных величин; в ИК-диапазоне вариации блеска значительно меньше и, например, в полосе K (эффективная длина волны 2.2 мкм) не превышают 0.5–0.6^m. У полуправильных красных гигантов визуальные амплитуды меньше 2.5 звездных величин, а характер изменений блеска менее регулярен, чем у мирид. Примеры кривых блеска мирид и полуправильных переменных представлены на рис. 3 и 4, а распределение мирид по длине периода – на рис. 5; максимум распределения приходится на P = 284 дня. Кривые блеска полуправильных переменных весьма хаотичны; у мирид они более регулярны, однако и высота максимума, и период подвержены случайным изменениям. Анализ кривых блеска мирид показывает, что они состоят из смеси правильных колебаний и хаотических флуктуаций.

Кривые блеска переменных звезд типа Миры Кита - самой Миры (o Кита), R Орла и R Наугольника (по данным Французской ассоциации наблюдателей переменных звезд – AFOEV).	Распределение переменных типа Миры по периодам (по данным Общего каталога переменных звезд).

Механизм переменности звезд АВГ до конца не выяснен. Основная идея существующих работ: причиной переменности красных гигантов – мирид является изменение непрозрачности и (или) температуры атмосферных слоев, ответственных за основное излучение в континууме. В предыдущих моделях явно или неявно подразумевалось, что эти изменения вызваны периодическим прохождением ударных волн. В свою очередь, ударные волны создаются пульсациями звезды. Еще в 1950-е гг. делались попытки создать теорию переменности мирид, аналогичную теории для цефеид. Удовлетворительной модели пульсаций мирид нет до сих пор.

Кривые блеска полуправильных переменных звезд RX Волопаса, RT Девы и VX Стрельца (по данным AFOEV).

Так может выглядеть красный гигант с крупными конвективными ячейками ("супергрануляция").

Имеется ряд работ с нетрадиционными объяснениями механизма переменности звезд типа Миры. Один из них – вращение красного гиганта с неоднородным распределением поверхностной яркости, с крупными темными конвективными ячейками.

В последние годы автором данной статьи и, независимо, французским астрономом Полем Берлиоз-Арто предложен альтернативный механизм переменности мирид. Причиной вариаций блеска может быть локальный разогрев атмосферы мириды близким спутником (планетой или коричневым карликом). Период обращения спутника на круговой орбите с большой полуосью a = 1 а.е. вокруг звезды с массой M_*=1M_o – 1 год. Если спутник обращается вокруг звезды на более низкой орбите, он тонет в атмосфере звезды, опускаясь ниже уровня, где оптическая толща атмосферы достигает единицы. Если спутник далеко, среда, в которой он движется, недостаточно плотная, и он не оказывает большого воздействия на блеск и спектр звезды. Таким образом, большие полуоси a в области чуть менее 1 а. е. наиболее благоприятны для проявлений взаимодействия спутника с атмосферой красного гиганта. Отсюда максимум в распределении периодов мирид вблизи соответствующего периода P = 284 дня.

"Огненный шар" вокруг планеты в атмосфере красного гиганта.

"Огненный шар", возникающий вокруг спутника, своим излучением создает "горячее пятно" в атмосфере гиганта. За спутником тянется ионизованный "хвост", такой же, как при движении крупного метеорита в земной атмосфере. В "горячем пятне" сосредоточена область генерации оптических эмиссионных линий, регулярно появляющихся в спектрах мирид. При орбитальном движении спутника пятно перемещается по поверхности красного гиганта. Если угол наклона i плоскости орбиты к картинной плоскости не очень мал, переменность блеска звезды и интенсивности эмиссионных линий может быть объяснена периодическими появлениями "горячего пятна" из-за лимба и заходами за лимб. В рамках данной концепции непеременные или "слабопеременные" красные гиганты – полуправильные звезды с малыми амплитудами переменности – могут менять блеск за счет собственных слабых хаотических колебаний. У мирид переменность большой амплитуды создается в первую очередь воздействием спутника, а все нерегулярности кривой блеска могут быть отнесены на счет хаотических собственных вариаций красного гиганта.

Шаровое скопление 47 Тукана.

Косвенным подтверждением влияния планет на долгопериодическую переменность красных гигантов может быть редкость (или даже полное отсутствие) мирид в старых подсистемах Галактики с низкой металличностью: в шаровых скоплениях и в галактическом гало. Низкометалличная среда не способствует образованию планет, для чего требуется наличие тяжелых элементов. Подтверждением этого также служит видимое отсутствие звезд с планетами в шаровых скоплениях. На Космическом телескопе им. Хаббла был специально поставлен эксперимент по исследованию кратковременных падений блеска 34 тысяч звезд в шаровом скоплении 47 Тукана. Такие ослабления блеска предположительно могли бы указывать на наличие планет, "затмевающих" свои звезды. Авторы эксперимента Р. Джиллиленд и др. (Astrophys. J., 2000, 545, L47) проводили систематические наблюдения за скоплением 47 Тукана в течение восьми суток в июле 1999 г. Ни у одной звезды из 47 Тукана не было найдено затмений, хотя по статистике наклонов орбит i затмения должны были наблюдаться по меньшей мере у 15–20. Еще одна возможная причина отсутствия планетных систем у звезд шаровых скоплений – отрыв планет от звезд при близких прохождениях звезд. Итак, нет планетных систем – нет и переменных звезд типа Миры.

 

Элементы орбиты планеты.

Еще одно наблюдательное свидетельство: интерферометрия мирид в оптическом и ближнем инфракрасном диапазонах выявила у звезд R Треугольника и o Кита наличие асимметрии в распределении яркости по диску звезды. Пока это единичные эксперименты. Большие надежды возлагаются на планируемые миссии космических интерферометров с большими базами, что позволит осуществить регулярное "картографирование" поверхности мирид. Периодическое появление "горячих пятен" в фазе с изменениями видимого блеска мирид послужило бы прямым подтверждением предлагаемой гипотезы.

Если переменность связана с эффектом "огненного шара" вокруг спутника, можно рассчитать, как будет меняться блеск звезды при движении "горящей планеты" по орбите вокруг красного гиганта. Такие расчеты кривых блеска звезды были выполнены автором данной статьи. Выбирались параметры центральной звезды, характерные для красных гигантов – проэволюционировавших звезд солнечного типа. Подбором элементов орбиты спутника (большая полуось a, эксцентриситет e, наклонение орбиты i, долгота перигелия ω) можно воспроизвести практически любую наблюдаемую форму кривых блеска, в том числе с горбами на восходящей и нисходящей ветви и даже с двойным максимумом (как у R Наугольника). Модель также объясняет изменения периодов звезд. У некоторых мирид период довольно быстро сокращается. Так у R Гидры, известной как переменная с 1704 года, период к настоящему времени сократился с ~500 до 386 суток. У R Орла период уменьшился с 1856 года от 348 до 279 суток. Уменьшение периода естественно связать с торможением планеты в атмосфере красного гиганта. У некоторых мирид (их немного) период увеличивается. Например, у W Дракона период возрос с 257 суток в 1904 году до 279 суток в 1969 году. Возможно, эти мириды на данном этапе быстро теряют массу, что приводит к увеличению размеров орбиты планеты. Интересно также, что модель воспроизводит и зависимость "период–светимость" для мирид; до сих пор считалось, что эта зависимость обусловлена пульсационными свойствами звезд.

Кривые блеска звезд типа Миры Кита, рассчитанные в модели переменности, связанной с движением планеты в атмосфере звезды. Показано расположение планетной орбиты в проекции на картинную плоскость, проходящую через центр звезды. Периастр отмечен звездочкой, часть орбиты, находящаяся позади картинной плоскости, показана пунктиром.

Наконец, еще одно следствие "планетарной" гипотезы. Число звезд типа Миры Кита среди звезд – красных гигантов на АВГ может отражать долю всех звезд главной последовательности в Галактике, имеющих планетные системы. Выше говорилось, что красные гиганты классов K непеременны или слабо переменны, а красные M-гиганты (более проэволюционировавшие, расширившиеся до R_*~1 а.е. и вступившие на АВГ) практически все переменны – за счет собственных, достаточно слабо выраженных пульсаций. Но если у звезды есть планетная система, то при некотором радиусе расширения планета на подходящей орбите начинает оказывать "ударное воздействие" на атмосферу звезды. Изменения блеска становятся более регулярными, их амплитуда возрастает; звезда становится миридой. Таким образом, отношение числа мирид к полному числу M-гигантов – это и есть доля звезд, у которых на главной последовательности были планеты с "подходящими" параметрами (a ~ 1–2 а. е.). Тот факт, что среди мирид практически нет звезд с периодом переменности короче 90–100 суток, очевидно, дает минимальную величину большой полуоси a "возбуждающей" планеты, при котором еще возможно устойчивое существование феномена мириды: при массе центральной звезды M_*1M_O a_min ~ 0.4 а.е, то есть примерно расстояние от Солнца до Меркурия.

Оценку доли мирид среди звезд АВГ можно получить из результатов нового обзора NSVS (Northern Sky Variability Survey – Обзор переменности северного неба). Обзор выполнялся в 1997–2001 гг. на автоматизированном телескопе-"роботе" ROTSE-I, установленном в Национальной лаборатории Лос Аламос (США). Огромная база данных, накопленная в ходе наблюдений, представляет собой ценнейший материал для исследования переменных звезд разных типов. Для наших целей особый интерес представляет каталог медленных красных переменных звезд NSVS, для которых выполнена классификация. Их периоды (или циклы переменности) заключены в пределах от 20 до 730 суток. Всего таких звезд в каталоге 8678. Из них мирид – 2476, или 28%. Остальные могут быть отнесены к полуправильным, "слабопеременным" красным гигантам, меняющим блеск только за счет внутренних процессов, без внешнего воздействия близкого спутника. Разумеется, 28% – это только нижний предел числа звезд с планетными системами, достигших стадии АВГ. Многие звезды (как, например, V838 Единорога) могли поглотить близкие планеты еще на ранней стадии перехода к красным гигантам. Не во всех планетных системах были "подходящие" планеты на орбитах с a ~ 1–2 а.е., которые как раз и создают эффект "миридной" переменности. Тем не менее, полученная цифра представляет интерес. Оценки по статистике уже найденных планетных систем указывают, что планетами могут обладать от 50 до 70% звезд главной последовательности в окрестностях Солнца. Так что доля мирид среди звезд АВГ может быть не таким уж плохим индикатором общего числа звезд солнечного типа с планетами в нашей Галактике.

Доживет ли человечество до "красного Солнца"?

 

Кто говорит, мир от огня Погибнет, кто   от льда. А что касается меня, Я за огонь стою всегда. Но если дважды гибель ждет Наш мир земной – ну что ж, Тогда для разрушенья лед Хорош И тоже подойдет.       Роберт Фрост. "Огонь и лед" Перевод М. Зенкевича

В свое время автор этой статьи с увлечением читал классическую книгу Б.А. Воронцова-Вельяминова "Очерки о Вселенной" (Гостехиздат, 1955). Особый интерес вызвал рисунок на обложке: пейзаж чужой планеты с огромным красным светилом на горизонте, и чуть в стороне – яркая белая звезда. Такое огромное Солнце на горизонте Земли можно будет увидеть еще очень не скоро. Трудно предугадать, как будет выглядеть наша Земля к тому времени. Какие существа будут населять Землю? Будут ли обитать на Земле потомки нынешних людей, сохранится ли жизнь вообще?

В последние годы проблема дальнейшего развития жизни на Земле привлекает пристальное внимание исследователей. Большую популярность получили прекрасно иллюстрированные книги английского палеонтолога Дугала Диксона "После Человека" (Dougal Dixon, After Man, Griffin Trade, 1998) и, совместно с художником Джоном Адамсом, "Дикий мир будущего" (Dougal Dixon, John Adams, The Future is Wild). Выпущен фантастический фильм того же названия. Живые картинки из этого проекта можно посмотреть в Интернете (http://www.thefutureiswild.com). Книга "Дикий мир будущего" вышла и на русском языке (изд-во Эгмонт, 2003). Опираясь на предыдущую историю биологических видов, Диксон попытался представить будущее живого мира Земли через 5, 100 и 200 млн. лет от нынешнего времени. Лик Земли полностью изменится. Предстоят великие оледенения. Дрейфующие материки вновь сольются в один гигантский суперконтинент, окруженный безбрежным океаном. В книгах Диксона нашу планету населяют фантастические животные: огромные разумные муравьи, летающие в тропическом лесу яркие рыбы, гигантские стотонные черепахи... Книги Диксона, хотя и основанные на научных идеях, можно рассматривать как шутку, увлекательный рассказ о будущей жизни на Земле, предназначенный больше для юных читателей. Еще одна интересная попытка представить живой мир будущего сделана нашим соотечественником Павлом Волковым. Основываясь на законах биологической эволюции, Волков образно и ярко рисует мир Земли таким, каким он может стать в далеком будущем. Работу П. Волкова также можно найти в Интернете (http://sivatherium.h12.ru/).

Американский палеонтолог Питер Уорд (Peter D. Ward) подходит к проблеме с более серьезных позиций. Название его книги "Конец эволюции" (The End of Evolution, Weidenfeld and Nicolson, London, 1995) говорит само за себя. Уорд выделяет в истории жизни на нашей планете три великих события, три великих вымирания. Первое произошло на границе палеозоя и мезозоя, когда погибло до 90% видов, населявших Землю; второе – на границе мезозоя и кайнозоя, когда вымерли динозавры. Третье вымирание началось не сегодня и не вчера, а примерно 15 тысяч лет назад, когда люди широко расселились по планете. Прямой или косвенной причиной нынешнего вымирания Уорд считает человеческую жадность. Человек берет из Природы гораздо больше, чем ему необходимо, и ее же, Природу, безжалостно загрязняет. В настоящее время под натиском цивилизации ежечасно исчезают три вида живых существ (!). Человек ускорил процесс вымирания в 10 000 раз по сравнению с естественным темпом. Его воздействие на биосферу уже сравнимо с падением на Землю гигантского метеорита. К моменту появления человека жизнь на Земле достигла своего наивысшего разнообразия, которое теперь на глазах гибнет.

Общий и весьма неутешительный вывод всех упомянутых авторов: в мире будущего ("After Man" – "После Человека") человечеству нет места, даже в том случае, если Землю не постигнет в ближайшее время космическая катастрофа. Загрязнение среды обитания, антропогенное изменение климата, новые неизвестные болезни, войны, терроризм, природные и техногенные катастрофы ведут человечество к гибели. Время жизни любого биологического вида в истории Земли – не более 1 миллиона лет, для высокоорганизованных видов – еще короче. Для Homo sapiens исследователи отводят срок не более 200 тысяч лет, а некоторые – еще меньше, до 2000, а то и десятки лет.

Сходные мысли высказал и известный английский физик и астрофизик Стивен Хокинг. Хокинг считает, что человечество может погибнуть от вируса, который оно создаст собственными руками. Другая опасность – глобальная компьютеризация. "В отличие от нашего интеллекта, производительность компьютеров удваивается каждые 18 месяцев, – сказал Хокинг, сославшись на закон Мура. – Опасность, что у них возникнет интеллект, и они покорят мир, вполне реальна. Человечеству придется либо подумать об искусственном усовершенствовании своих генов, либо попытаться найти способ объединить компьютеры и человеческий мозг. Нам придется пойти этим путем, если мы хотим, чтобы биологические организмы по-прежнему превосходили электронные."

Если обратиться к классике, то, как писал Герберт Уэллс в романе "Машина времени", свидетелями разрастания Солнца до красного гиганта будут огромные крабы и бабочки; человекоподобных существ к тому времени, по его мнению, на Земле не останется. Будет это не через 30 миллионов лет, как полагал Уэллс, а значительно позднее, через 5.7 миллиардов лет, после чего остатки земной биосферы сгорят в очистительном пламени нашего светила.

"Последние дни" (c) John Whatmough 1999 (Extrasolar Visions).

Возможен и другой вариант. Если красный гигант Солнце будет терять массу достаточно быстро, его масса уменьшится. Тогда орбита Земли может измениться. Большая полуось увеличится, например, до нынешней орбиты Марса. Земля избежит огненной гибели, не испарится в атмосфере Солнца и закончит свой путь в холоде – замерзнет после того, как Солнце, сбросив конвективную оболочку, станет белым карликом и не сможет больше обогревать свои планеты, как раньше. Правда, и до этого времени Земле дожить будет сложно. Солнце на стадии красного гиганта будет облучать Землю с десятой (как считал Уэллс, если не большей) части небосвода. Температура на планете значительно превысит 100?C. Океаны испарятся. Еще одно губительное для Земли обстоятельство. Когда начнется процесс потери массы нашего светила со скоростью около 10^-6 M_o/год, на Землю обрушится поток газа и "солнечной" пыли. По самым скромным оценкам, Земле "достанется" до 10 млрд. тонн солнечного вещества в год, из них около 1 процента в виде пыли. Этот поток остановить будет нечем. Сейчас Землю обдувает солнечный ветер – горячий ионизованный газ. От него Землю защищает магнитосфера. С красного гиганта посыплется нейтральное вещество, пронизывающее земную атмосферу и беспрепятственно достигающее поверхности. Вокруг Земли может образоваться аккреционный диск из выпадающей солнечной материи; на некоторое время наша планета уподобится Сатурну. Пылинки, теряемые красными гигантами, очень мелкие, их размеры ~10^-5 см. В земной атмосфере они будут оседать крайне медленно и надолго закроют поверхность планеты от солнечных лучей. Земля станет пыльным и темным местом и, в конце концов, высохшая, безжизненная, уйдет в холод и мрак.

Все грустные пророчества имеют под собой реальную основу. О том же говорит и молчание космоса. До сих пор попытки найти сигналы внеземных цивилизаций не имели успеха. Вспомним парадокс, который высказал Энрико Ферми: если Они есть, то где Они все? Уже упомянутый Питер Уорд и астроном Доналд Браунли в книге "Редкая Земля: почему сложная жизнь столь необычна во Вселенной" (Rare Earth: Why Complex Life is So Uncommon in the Universe) пишут: жизнь на уровне одноклеточных (микробов и т. п.) может существовать на многих планетах, однако высшие формы жизни развиваются крайне редко. Земля сочетает множество условий, необходимых для длительной эволюции живой материи. Это устойчивая орбита на нужном расстоянии от Солнца, достаточное количество жидкой воды, тектоника плит, присутствие близкого спутника – Луны. Наконец, даже положение Солнца в Галактике между спиральными рукавами оберегает Солнечную систему от губительного воздействия вспышек сверхновых. Земля может быть редким оазисом жизни в семье многочисленных, но бесплодных планетных систем с "горячими Юпитерами" и "холодными Сатурнами". И.С. Шкловский в последнем издании книги "Вселенная. Жизнь. Разум" ("Наука", 1987) также говорит о возможной уникальности земной жизни и земной цивилизации. Если у человечества хватит разума остановить безумное разрушение собственного дома, возможно, оно будет развиваться дальше, двинется, следуя мечте К.Э. Циолковского, в космос и создаст суперцивилизацию, образует скорлупу вокруг Солнца – сферу Дайсона. Со временем человечество покинет постаревшее и распухшее Солнце. Следующим этапом будет освоение Галактики, постройка цивилизации III типа по Н.С. Кардашеву. Цивилизация овладеет всей энергией Галактики и зажжет в небесах чужих планет яркий маяк. Пока для такого оптимизма оснований мало. Мрачные прогнозы о будущем Земли и земной цивилизации лишний раз напоминают, что необходимо беречь прекрасный и хрупкий мир, который нам достался от Великого Космоса, всех предыдущих миллиардо- и миллионолетий и который может быть единственным в Галактике и во Вселенной.

Публикации с ключевыми словами: планеты - экзопланета - звездообразование - Планеты у других звезд Публикации со словами: планеты - экзопланета - звездообразование - Планеты у других звезд
См. также: В центре Трехраздельной туманности Стена звездообразования в Лебеде NGC 602 и за ним Десять миллиардов планет, похожих на Землю NGC 6188 и NGC 6164 NGC 604: гигантские звездные ясли Наши соседи Все публикации на ту же тему >>