Запомните это имя: Уэбб – и посчитайте песчинки!

В 2010 году НАСА выведет на орбиту новый космический телескоп. Он будет в сотни раз зорче Космического телескопа имени Хаббла. Он впервые разглядит внеземные планеты размером с Юпитер. И не только их.

В редакцию врываются планеты. Периодически. Первой мы радовались. Как же, планета за пределами Солнечной системы! Кто бы мог подумать? Заметили и несколько следующих. Дождались, когда число гостий станет знаменательным. Посвятили им статью «Тридцать три богатыря», хотя пушкинская строка не вполне подходила для статьи о затворницах космической дали, внезапно примеченных учеными. А визиты все продолжались. Вскоре список планет достиг полусотни. Мы перестали за ними следить. Их визитные карточки нас уже не интересовали, хотя отчеты об их пребывании на виду у светил астрономии мы получали все так же регулярно.

Радость сменилась равнодушием. В этой толпе нахлынувших к нам гостий все они казались на одно лицо. Мы немногое знали об их размерах, их положении на звездном небе и в своем околозвездном обществе. Мы замечали, как они движутся: кто-то описывает пространные эллипсы, кто-то перемещается по орбите поскромнее. В какой-то момент показалось, что внесолнечная планетология сейчас сродни наблюдениям школьника, севшего у окна: вот на заборе три галки, села четвертая, расстояние между ними равно…

Когда же наступит качественный скачок? Когда мы начнем узнавать что-то новое об этих точках, заметных пока лишь приборам? Когда люди увидят небо в планетах? Все идет к тому, что лет через шесть…

«Начала» НАСА

…Лет через шесть произойдет важное событие. В 2010 году НАСА планирует запустить в космос новый телескоп. Он будет назван именем Джеймса Уэбба — человека, сыгравшего важную роль в «Лунной программе» НАСА (в 1961 — 1968 годах он был администратором космического агентства).

Новый телескоп заглянет в космос в сотни раз дальше, чем Космический телескоп имени Хаббла. Его оптические характеристики поразительны: с расстояния в полтысячи километров он приметит футбольный мяч, в сорока километрах от себя разглядит любую монету в мельчайших подробностях. Площадь его зеркала в шесть раз превысит площадь зеркала хаббловского телескопа. Оно будет улавливать не только видимый, но и длинноволновый инфракрасный свет, приносимый к нам из тех областей космоса, где образовались первые звезды.
Планы НАСА очень честолюбивы, и их нельзя сводить только к поиску новых планет. Главная программа исследований будет называться «Origins» («Начала»). Предстоит ответить на следующие вопросы. Когда и как возникли галактики? Как они развивались? Как вообще развивалась Вселенная на ранней своей стадии?

«Мы займемся поиском первых звезд и галактик, образовавшихся во Вселенной, — заявляет ведущий американский астрофизик Джон Мазер, — совершим путешествие в прошлое, невозможное до сих пор. Цель предстоящей экспедиции — уловить свет, излученный первыми звездами, вспыхнувшими во Вселенной».

Пока первые миллиарды лет существования нашей Вселенной (за вычетом, может быть, первых сотен тысяч лет) менее всего изучены. Это время называют «темными веками» Вселенной. Космологи исследуют эпоху ее зарождения, а астрономы — ее сравнительно недавнее прошлое, ее последние миллиарды лет. Время первых галактик пока меньше всего привлекает исследователей. А вот телескоп имени Уэбба будет наблюдать в первую очередь за светом ранних звезд. Недаром он оборудован мощной инфракрасной аппаратурой, ведь их излучение наиболее интенсивно теперь в инфракрасной части спектра.

Конец «темных веков»

Среди открытий, сделанных зондом Уилкинсона, есть одно, о котором вспоминали не в первую очередь, но его ценность от этого ничуть не уменьшилась.

Итак, было установлено, что уже через 100 — 400 миллионов лет после Большого Взрыва (различные модели по-разному датируют это событие) в космосе появился свет от первых гигантских звезд. Вот как это происходило.

Под действием гравитации газопылевые облака сжимались, разогреваясь до температуры выше 1000 Кельвинов. Давление раскаленных газов препятствовало их дальнейшему сжатию. Внутри облаков возникали молекулы водорода. Они сталкивались с одиночными атомами водорода, отдавая тепло. Это приводило к тому, что отдельные области облаков охлаждались почти до 0 градусов Цельсия.

Охлажденные области сжимались, образуя первые звезды. Их масса превышала солнечную массу в 100 — 1000 раз, а температура была выше температуры поверхности Солнца примерно в 20 раз и составляла около 100 тысяч градусов. Первые звезды отдавали свою энергию в основном в виде ультрафиолетового излучения. Облака водорода и гелия, окружавшие их, разогревались и ионизовались.

Из-за своих гигантских размеров первые звезды были недолговечны, зато выглядели куда внушительнее и импозантнее, чем нынешние светила. По прошествии нескольких миллионов лет они взрывались. Взрывы сверхновых обогащали материю Вселенной — а поначалу она состояла из водорода, гелия и микроскопических количеств лития, бериллия и бора, — более тяжелыми элементами, прежде всего кислородом и углеродом. Эти элементы эффективно охлаждали космическое пространство. Уже через миллиард лет после Большого Взрыва средняя температура Вселенной составляла всего 19 Кельвинов. Подобная температура благоприятствовала зарождению небольших звезд. Количество их стремительно росло, и все чаще взрывались сверхновые звезды.

Реликтами этих давних взрывов являются черные дыры. Теперь в центре практически каждой крупной галактики располагается сверхмассивная черная дыра.

Первые протогалактики образовались уже вскоре после рождения первых звезд. Их протяженность составила от 30 до 100 световых лет, а масса — от 100 тысяч до миллиона масс, равных Солнцу. Они были заполнены облаками пыли, состоявшей из тяжелых элементов. Одна из таких древних галактик обнаружена в созвездии Большой Медведицы. Она возникла почти 13 миллиардов лет назад и теперь не видна в оптическом диапазоне.

В ожидании запуска Космического телескопа имени Уэбба астрофизики, изучающие отдаленное прошлое Вселенной, продолжат наблюдение за квазарами — точечными квазизвездными объектами, излучающими неимоверное количество энергии. Уже сейчас выявлено несколько тысяч квазаров. Наблюдения за ними принесли в последние годы несколько любопытных открытий.

Так, с помощью Космического телескопа имени Хаббла удалось обнаружить пепел первых звезд: спектр трех самых далеких квазаров содержит линию поглощения железа. Этот элемент образовался в недрах первых звезд и выделился в космическое пространство при их взрыве. «Столь раннее образование железа и других тяжелых элементов, — подчеркивает американский астроном Майкл Корбин, — свидетельствует, что сырье для создания планет появилось намного раньше, чем сформировалась Солнечная система».

В созвездии Феникса, в 36 тысячах световых лет от Земли, астрономы Европейской Южной обсерватории открыли звезду HE 0107-5240, почти не содержащую тяжелых элементов. Так, здесь в 200 тысяч раз меньше железа, чем в недрах Солнца. Всего же эта звезда содержит лишь девять тяжелых элементов — обычно их не менее 40 — 60. Возможно, обнаружена одна из древнейших звезд. Небольшое количество тяжелых элементов могло осесть на ее поверхность при взрыве соседних сверхновых. По другой гипотезе, она принадлежит ко второму поколению звезд, зародившихся во Вселенной, и тяжелые элементы достались ей от предшественниц.

В спектре квазара SDSS J1148+5251 обнаружился моноксид углерода. На участке протяженностью несколько тысяч световых лет сосредоточено огромное количество этого газа. Его масса в 20 миллиардов раз превышает массу Солнца. Очевидно, в этой части космоса зародилось множество звезд. Согласно расчетам, в какой-то период времени здесь каждые пять часов вспыхивала новая звезда. Космос стремительно насыщался тяжелыми элементами.

«Лет десять назад никто и предположить не мог, — говорит немецкий астроном Франк Бертольди, — что вскоре после Большого Взрыва образовалось так много тяжелых элементов. Наблюдения последних лет доказывают, что уже на ранней стадии существования Вселенной — в первый миллиард лет после Большого Взрыва — зародилось огромное количество звезд».

Какое-то время звезды еще рождались так же часто. Только этим можно объяснить, что лишь в наблюдаемой части Вселенной сейчас сверкают около 70 секстиллионов звезд. К слову, статистики от науки даже сумели ответить на знаменитый «дурацкий» вопрос: «Чего больше, звезд на небе или песчинок на Земле?» Звезд оказалось больше.

В последние шесть миллиардов лет в мире звезд начался свой «демографический» кризис. По оценке британских астрономов, звезд сейчас рождается меньше, чем гибнет. К такому выводу они пришли, обследовав 37752 галактики. Если ничего не изменится, то через сотню триллионов лет последние звезды погаснут. Пока же все внимание ученых обращено к первым звездам.

Это было время великих обсерваторий

Инфракрасные телескопы — один из главных помощников астрономов. Практически все космические объекты, интересующие их, в том числе отдаленные планеты и даже межзвездные газопылевые облака, испускают тепловое излучение. В августе 2003 года в космос была выведена инфракрасная обсерватория НАСА — SIRTF (Space Infrared Telescope Facility). Запуск ее планировался еще в 1970-е годы, но все время откладывался.

Место работы новой обсерватории выбрано не случайно. Значительная часть инфракрасного излучения поглощается атмосферой Земли. Поэтому инфракрасные телескопы обычно отправляют в космос. Лишь коротковолновое излучение можно улавливать с помощью телескопов, установленных в горах. Для исследования длинноволнового инфракрасного излучения давно используются аппараты, выведенные на околоземную орбиту.

Так, американо-британо-нидерландская обсерватория IRAS, запущенная в 1983 году, обнаружила во Вселенной около 250 тысяч источников инфракрасного излучения.

В 1995 году начала работу космическая обсерватория ISO Европейского космического агентства.

Запуск очередной инфракрасной обсерватории означает, что мы выходим на новый уровень исследования космоса. Обсерватория SIRTF разглядит галактики, расположенные в миллиардах световых лет от Земли. Это — последняя экспедиция в рамках выполняемой НАСА программы крупных космических обсерваторий (Great Observatories Programm). В рамках этой программы в космос были выведены телескоп Хаббла для оптических наблюдений за Вселенной, а также рентгеновская обсерватория «Чандра» и Комптоновская гамма-обсерватория.

Если телескоп Хаббла впервые доказал существование массивных черных дыр в центрах галактик и позволил измерить скорость расширения Вселенной («постоянную Хаббла»), то Комптоновский гамма-лучевой телескоп, запущенный НАСА в 1991 году, объяснил загадку происхождения самых мощных взрывов во Вселенной — так называемых гамма-вспышек, а рентгеновский телескоп Чандра, взлетевший в космос в 1999 году, доказал существование во Вселенной черных дыр промежуточной массы (между гигантскими и микроскопическими), а также позволил выявить, как распределено в космическом пространстве загадочное «темное вещество». И если четвертый космический телескоп НАСА принесет открытия такого же масштаба, что и первые три, то уже это обеспечит агентству и его сотрудникам заслуженное место в истории науки.

В отличие от других инфракрасных обсерваторий, SIRTF была выведена не на околоземную, а на околосолнечную орбиту, напоминающую орбиту Земли. В этом есть свои преимущества. Во-первых, поле зрения телескопа становится шире, поскольку обзор ему не загораживает Земля. Обсерватория будет сближаться с нашей планетой самое большее на 15 миллионов километров. Во-вторых, работе телескопа не мешает инфракрасное излучение, испускаемое Землей. Поэтому расход охладителя заметно снижается. На пять лет работы SIRTF понадобится всего 360 литров жидкого гелия. Для сравнения: обсерватория ISO израсходовала за 2,5 года работы 2140 литров гелия, а обсерватории IRAS гелия хватило и вовсе лишь на 10 месяцев работы, потом она отключилась.

Вместо послесловия

А планеты? Сотни планет, которые будут открыты к 2010 году? Что с их списком? Исследовать.

С помощью Космического телескопа имени Уэбба впервые можно будет напрямую увидеть планеты, находящиеся за пределами Солнечной системы. Правда, разглядеть удастся лишь планеты размером с Юпитер и то, когда они находятся на значительном расстоянии от звезды. Поиском же планет, подобных Земле, как и поиском жизни во Вселенной, займутся телескопы следующего поколения. Имя им уже подобрано: «Terrestrial Planet Finder».

Искать будет что. Возможно, что во Вселенной гораздо больше планет, чем считалось прежде.

Элизабет Лада и Ричард Элстон из Флоридского университета обследовали участок неба в районе созвездий Орион и Персей, в 1000 световых лет от Земли. Здесь особенно бурно зарождаются новые звезды. Ученые обнаружили семь «протопланетных дисков», окружающих молодые звезды. Это — самые крупные газопылевые диски, известные науке; они в десятки, а то и в сотни раз превосходят открытые прежде протопланетные диски. По наблюдениям Лада и Элстона, планеты формируются именно в первые три миллиона лет жизни звезды. «Если мы сравним звезду с человеком, — образно выразилась Элизабет Лада, — то дети у этого человека рождаются уже в первую неделю его жизни — в раннем младенчестве».

Уже сейчас известно, что зарождение планет началось очень давно. Так, в 2003 году в созвездии Скорпиона, к западу от звезды Антарес, была обнаружена планета-долгожитель, чей возраст составил 12,7 миллиарда лет. Так что прошел всего миллиард лет после Большого Взрыва, как из первородного газа, наполнявшего мироздание, стали возникать планеты.

Эта древнейшая известная нам планета — газовый гигант; ее масса почти в 2,5 раза превышает массу Юпитера. Обращается она возле двух выгоревших звезд, держась в трех миллиардах километров от них.

Новая планета — не только самая старая, но и самая дальняя из сотни с лишним внесолнечных планет, открытых в минувшее десятилетие. Ее отыскали в шаровом звездном скоплении, где, как считалось, не должно быть планет, да их там и не находили. «Враждебная планетам среда» — так отзывались о подобных скоплениях астрономы. Теперь им пришлось изменить свое мнение («Древние или молодые?») То ли будет после 2010 года? Да, мы еще увидим небо в планетах!

И многие из этих планет, наверное, окажутся настоящими водными мирами. По всей вероятности, большинство внесолнечных планет, сходных по размерам с Землей, полностью покрыто водой. К такому выводу пришли сотрудники Вашингтонского университета в Сиэтле. Они составили 42 компьютерные модели формирования планет, напоминающих Землю. В этих сценариях крохотные зародыши планет сновали между газовыми гигантами, похожими на Юпитер, и одиночной звездой. Ученые меняли орбиту и массу Псевдоюпитера. Всякий раз под влиянием его притяжения многочисленные комья сливались в более крупные глыбы, состоявшие из камня и льда. В конце концов возле гипотетических звезд зарождалось от одной до четырех планет земной группы. Самая маленькая планета оказалась в пять раз меньше Земли, а самая большая — в четыре раза больше. Поражало количество воды, накапливавшейся на них. В некоторых моделях воды было в 300 раз больше, чем на Земле. Всю поверхность этих планет покрывал океан. Так что зарождение подобных планет, скорее, правило, чем исключение.

Эта работа американских астрономов лишний раз убеждает, что когда-то на Марсе тоже была вода. Очевидно, рядом с газовыми гигантами почти всегда рождаются водные миры. Сейчас Европейское космическое агентство планирует осуществить запуск автоматического зонда «Эддингтон», который также займется поиском внесолнечных планет.

Вероятно, на некоторых планетах существует своя особая жизнь, например, в окрестности звезды 37 Gem в созвездии Близнецов, полагает астроном Мэгги Турнбалл из Аризонского университета. Эта звезда расположена в 42 световых годах от нас и по своей яркости чуть превосходит Солнце. В рамках проекта НАСА Турнбалл выбрала среди пяти тысяч звезд в радиусе до ста световых лет от Солнца тридцать наиболее подходящих кандидатур. Возле них могут находиться планеты, напоминающие Землю. В ближайшие десять лет за этими звездами будет вестись постоянное наблюдение. Звезда 37 Gem кажется фаворитом в списке, потому что по своему возрасту и химическому составу очень напоминает Солнце. Большинство других звезд из этого списка чем-либо да отличаются от Солнца.

…В последние десять лет внесолнечные планеты стали казаться нам на одно лицо. Мы немногое знали об их размерах, их положении на звездном небе и в своем околозвездном обществе. Мы различали их только по счету: тридцатая, сороковая, шестидесятая… Пришло время узнать эти далекие планеты поближе. В этом ученым помогут телескопы и обсерватории нового поколения.

Александр Волков