Космогония Солнечной системы

Это удивительное соседство озадачило  ученых: совсем рядом со звездой  как две капли воды похожей  на Солнце бешено мчится планета-гигант, обегая ее всего за четыре дня; расстояние между ними в 20 раз меньше, чем  от Земли до Солнца. Астрономы не сразу поверили в это открытие. Ведь обнаруженная планета-гигант из-за ее близости к звезде должна быть нагрета  до 1000 К. Горячий юпитер? Такого сочетания  астрономы не ожидали. Быть может, за колебания звезды была принята пульсация  ее атмосферы? Однако дальнейшие наблюдения подтвердили открытие планеты у  звезды 51 Пегаса. Затем обнаружились и другие системы, в которых планета-гигант обращается очень близко к своей звезде; термин «горячий юпитер» прочно вошел в обиход.

Поиском экзопланет сейчас занято более 150 астрономов на различных обсерваториях мира, включая самую продуктивную научную группу Дж.Марси и группу М.Майора. Для выработки терминологии и координации усилий в этой области Международный астрономический союз (МАС) создал Рабочую группу по внесолнечным планетам (см. http://www.ciw.edu/IAU/div3/wgesp/), первым руководителем которой избран американский астроном-теоретик Алан Бос (A.Boss). Предложена временная терминология, согласно которой «планетой» следует называть тело массой менее 13 Мю, обращающееся вокруг звезды солнечного типа; такие же объекты, но свободно движущиеся в межзвездном пространстве, следует называть «коричневыми субкарликами» (sub-brown dwarfs). Сейчас этот термин употребляется в отношении нескольких десятков предельно слабых объектов, найденных в 2000–2001 втуманности Ориона и не связанных со звездами. Они излучают в основном в инфракрасном диапазоне и по массе, вероятно, лежат в промежутке между коричневыми карликами и планетами-гигантами. Ничего определенного о них пока сказать нельзя. 

Свойства обнаруженных экзопланет

Несколько столетий астрономы бьются на загадкой происхождения Солнечной  системы. Главная проблема в том, что нашу планетную системы до сих пор не с чем было сравнить. Теперь ситуация изменилась: практически  каждый месяц астрономы открывают  новую экзопланету; пока это планеты-гиганты, но скоро новые приборы позволят обнаруживать и планеты земного типа. Станет возможной классификация и сравнительное изучение планетных систем. Это значительно облегчит отбор жизнеспособных гипотез и построение правильной теории формирования и ранней эволюции планетных систем, в том числе – Солнечной системы.

На 1 сентября 2001 статистика исследований экзопланет такова: 
- поиск планет произведен приблизительно у 1000 звезд; это почти все звезды в окрестности 30 пк от Солнца; 
- у 58 звезд обнаружены планетные системы, содержащие от 1 до 3 планет, всего обнаружено 68 экзопланет; 
- минимальная масса экзопланеты (M sin i), обнаруженной рядом с нормальной звездой, равна 0,15 Мю; 
- обнаружены планетные системы у двух радиопульсаров, причем в одной из этих систем (PSR 1257+12) присутствуют планеты земной массы; 
- заподозрены планеты еще у дюжины звезд; 
- орбитальные периоды обнаруженных экзопланет лежат в диапазоне от 3 сут до 7 лет, а большие полуоси орбит – от 0,04 до 3,7 а.е.; 
- эксцентриситеты орбит экзопланет лежат в диапазоне от 0,0 до 0,93; при этом орбит с большим эксцентриситетом оказалось довольно много (в отличие от Солнечной системы, где большие планеты движутся по почти круговым орбитам); 
- амплитуда наблюдаемых колебаний лучевой скорости звезды под виянием планеты от 10 м/с (инструментальный предел) до 2 км/с; 
- ближайшая экзопланета обнаружена у звезды Эпсилон Эридана, на расстоянии 10 св. лет от Солнца. Она чуть меньше Юпитера и обращается на расстоянии 3,3 а.е. от звезды чуть менее массивной и менее горячей, чем Солнце; 
- лишь в одном случае (звезда HD 209458) Земля оказалась почти в плоскости орбиты экзопланеты (i = 85,2 град.). Поэтому астрономы систематически, дважды в неделю, наблюдают прохождения экзопланеты перед звездой, вызывающие неглубокие (1,5%) затмения. Это позволило очень точно установить орбитальные и физические параметры планеты и звезды. В частности, имея массу 0,69 Мю, планета в 1,54 раза больше Юпитера по размеру. Это не удивительно, если учесть, что она обращается на расстоянии всего 0,045 а.е. от звезды, немного более массивной и яркой, чем наше Солнце. В таком положении планета должна быть весьма горячей и иметь протяженную атмосферу.

В целом обнаружение первых внесолнечных планетных систем стало одним  из крупнейших научных достижений 20 столетия. Решена важнейшая проблема – Солнечная система не уникальна; формирование планет рядом со звездами – это закономерный этап их эволюции. В то же время становится ясно, что  Солнечная система нетипична: ее планеты-гиганты, движущиеся по круговым орбитам вне «зоны жизни» (область  умеренных температур вокруг Солнца), позволяют длительное время существовать в этой зоне планетам земного типа, одна из которых – Земля –  имеет биосферу. По-видимому, другие планетные системы редко обладают этим качеством.

Проблемма расширающийся Вселенной Постоянная Хаббла.

Постоянная Хаббла

Абсолютная величина ярчайших звезд, найденная Хабблом, была равной -6,35^m, и величина H (Хаббл обозначал ее ) получилась 535 (км/с)/Мпс.

Поскольку светимость ярчайших звезд  была определена сравнением их с цефеидами, пересмотр нуль-пункта зависимости  период - светимость (В.Бааде, 1952) означал необходимость и пересмотра величины постоянной Хаббла. Хьюмасон, Мейолл и Сендидж в 1955 г., использовав новые данные о красном смещении и учтя поправку Бааде к нуль-пункту зависимости период - светимость, получили H=180 (км/с)/Мпс.

В 1958 г. Аллан Сендидж, продолжая дело своего учителя Хаббла, опубликовал результаты новой ревизии постоянной H. Опираясь главным образом на Новые звезды, Сендидж пришел к выводу, что модули расстояний Магеллановых Облаков, M31, M33 и NGC 6822 надо увеличить в среднем на 2,3^m сравнительно со значениями, принятыми Хабблом. На столько же, следовательно, надо сделать ярче абсолютные величины ярчайших звезд; они были уточнены еще и путем привлечения новых данных о ярчайших звездах галактик Местной группы. Но, помимо этих уточнений, Сендидж обнаружил у своего учителя еще и серьезную ошибку - объекты, которые Хаббл принимал за ярчайшие звезды в лежащих за пределами Местной группы галактиках, являются в действительности компактными эмиссионными туманностями, областями HII.

Хаббл, который в двадцатых годах  мог работать только с пластинками, чувствительными к синим лучам, не имел возможности отличить изображения  компактных областей HII от звезд, особенно в далеких галактиках. Даже в M31, несмотря на тщательные поиски, он не нашел ни одной эмиссионной туманности, хотя сейчас их там известно 981. Вероятно, поэтому возможность такой путаницы не приходила Хабблу в голову. Лишь Бааде, фотографировавший M31 в разных лучах и, в частности, применявший пластинки, чувствительные к красным лучам, и светофильтры, вырезающие красную водородную линию Hα, смог отыскать их. Сендидж, снимая галактику NGC 4321 = М100 в скоплении Девы в разных лучах, обнаружил, что ярчайшие области HII ярче самых ярких звезд на 1,8^m - вот на сколько Хаббл преуменьшал модуль расстояния, определяя его по "ярчайшим звездам". Суммарная ошибка в принятых Хабблом модулях расстояния составляет, следовательно, около 4,0^m! В итоге, по оценке Сендиджа, постоянная Хаббла должна быть заключена в пределах 50-100 (км/с)/Мпк. Причину оставшейся неопределенности он приписал в основном дисперсии абсолютных величин ярчайших звезд. Результаты Сендиджа означали, что расстояния далеких галактик Хаббл преуменьшал в 6-7 раз!

В 1968 г., Сендидж определил постоянную Хаббла другим способом. Еще Хаббл установил, что ярчайшие члены скоплений галактик - гигантские эллиптические галактики - имеют почти одинаковую абсолютную величину. Можно и для них построить зависимость между видимыми величинами и красным смещением (ниже приведена эта диаграмма для 65 ярчайших галактик в скоплениях, построенная Сендиджем, Кристианом и Вестфалем в 1976 г.) и если определить светимость хотя бы одной из них, из этой зависимости можно определить постоянную Хаббла, аналогично тому, как это делал сам Хаббл с ярчайшими звездами. Особенно важно при этом, что мы можем уйти теперь неизмеримо дальше - ярчайшие галактики скоплений ярче ярчайших звезд на 11^m-12^m! Светимость наиболее яркой галактики в скоплениях можно определить, зная расстояние хотя бы одного скопления. Ближайшим богатым скоплением является скопление в Деве, и Сендидж использовал для определения его расстояния шаровые скопления в эллиптической галактике M87.

Предполагая далее, вместе с Сендиджем, что светимость ярчайших звездных скоплений в богатых ими галактиках одинакова, зная интегральную абсолютную величину ярчайшего скопления нашей Галактики (-9,7^mB, ω Кентавра) и M31 (-9,8^mB, В282), а также блеск ярчайшего скопления M87 (21,3^mВ), получаем модуль расстояния M87 и всего скопления галактик: m-M=21,3^m+9,8^m= 31,1^m. Отсюда следует, что ярчайшая галактика скопления Девы (эллиптическая галактика NGC 4472, в которой также очень много шаровых скоплений) - и, следовательно, ярчайшие галактики во всех скоплениях вообще - имеют абсолютную величину -21,7^m.

Зная абсолютную величину галактик и зависимость их видимых величин  от красного смешения, легко найти  постоянную Хаббла. Таким способом Сендидж получил в 1968 г. значение H=75 (км/с)/Мпс, долгое время считавшееся наиболее вероятным.

Однако в серии статей, опубликованных в 1974-1975 гг., А. Сендидж и швейцарский астроном Г. Тамман получили для постоянной Хаббла значение 55 (км/с)/Мпк. Определив с помощью цефеид расстояния галактик Местной группы и группы M81, они получили зависимость между линейными размерами областей HII и светимостью содержащей их галактики. С помощью этой зависимости они по угловым диаметрам областей HII нашли расстояния многих неправильных и спиральных галактик поля и определили светимость гигантских спиральных галактик ScI, которые можно выделить по внешнему виду. Для 50 слабых галактик ScI Сендидж и Тамман определили лучевые скорости (все они оказались превышающими 4000 км/с). Зная видимые и абсолютные величины, нетрудно получить постоянную Хаббла.

Сендидж и Тамман настаивали на том, что постоянная Хаббла с ошибкой примерно в 10% составляет 50 (км/с)/кпс, тогда как Ж. де Вокулер с той же ошибкой получал значение H=95. Магическое число 10% неразрывно связано с определениями этой постоянной; напомним, что Хаббл определил ее равной 535 (км/с)/кпс - и ошибку оценил именно в 10% ... Надо сказать, что у большинства астрономов получалось значение H между 75 и 100, и Сендидж и Тамман были почти единственными сторонниками длинной шкалы расстояний. Отголоски этого спора слышны и до сих пор, хотя возможный диапазон значений постоянной Хаббла сузился.

Это произошло в основном благодаря  специальной программе наблюдений цефеид на Космическом телескопе  имени Хаббла. Они были найдены  и исследованы в двух десятках галактик, в основном в скоплении  Девы, и по расстояниям этих галактик были прокалиброваны методы (Талли-Фишера, Сверхновые Ia и др.), позволяющие определять расстояния еще более далеких галактик, для которых можно пренебречь их случайными движениями. Одна группа исследователей, которую возглавляла знаток цефеид В.Фридман, получила в 2001 г. значение H=72+/-7, а группа А.Сендиджа получила в 2000 г. величину H=59+/-6. Ошибка опять-таки оценена обеими группами точно в 10%!

6. Расширение Вселенной

Задача определения постоянной Хаббла была столь острой, поскольку  от ее значения зависят и масштабы Вселенной, и ее средняя плотность, и возраст. Экстраполируя разбегание галактик назад, мы приходим к выводу, что когда-то они все были собраны  в одной точке. Если расширение Вселенной  происходило с одной и той  же скоростью, то величина, обратная постоянной Хаббла (), позволяет сказать, что  этот момент t=0 имел место 13-19 (H=50) или 7-10 (H=100) миллиардов лет назад. Этот "экспансионный возраст Вселенной" при меньшем значении постоянной Хаббла, которое неизменно получается у Сендиджа, уверенно больше возраста старейших звезд, чего нельзя сказать про значение H=100. Впрочем, ныне проблема потеряла свою остроту, поскольку теперь не подлежит сомнению, что расширение Вселенной протекало с неодинаковой скоростью. "Постоянная" Хаббла постоянна лишь по пространству, но не во времени.

Недавние (2003 г.) спутниковые измерения анизотропии реликтового излучения дают для постоянной Хаббла значение 71 (+4\-3) км\с\Мпк, а для возраста Вселенной величину 13.7+\-0.2 миллиарда лет (D.Spergel et al., astro-ph/0302209). Пессимисты все же полагают, что лучше говорить о значениях 45-90 для постоянной Хаббла и возрасте Вселенной в 14+\-1 миллиард лет. Наилучшие наземные данные (основанные на результатах больших обзоров красного смещения галактик, их пекулярных скоростей и сверхновых Ia - C.Odman et al., astro-ph/0405118) дают для постоянной Хаббла значение 57 (+15\-14) км\с\Мпк.

Исследования сверхновых типа Ia в далеких галактиках, первые результаты которых появились в 1998 г., стали началом новой революции в космологии, о которой рассказывается в упомянутой выше статье А.Д.Чернина. Скажем здесь лишь несколько слов.

Использование SNIa в качестве "стандартной свечи" для определения очень больших расстояний стало возможным благодаря работам Ю.П.Псковского, выполненным в ГАИШе еще в 1970-х годах. Считается, что одинаковость их светимости в максимуме объясняется тем, что явление сверхновой Ia происходит в тесной системе, включающей белый карлик, на который происходит аккреция вещества от второго компонента.

Когда масса белого карлика достигает  предельного для него значения в 1.4 массы Солнца, происходит взрыв, превращающий его остаток в нейтронную звезду.

Положение сверхновых Ia типа на диаграмме Хаббла указывает на то, что в современную эпоху расширение Вселенной происходит ускоренно. Наиболее естественным образом это объясняется тем, что отрицательное давление космического вакуума подгоняет разлет скоплений галактик. Антитяготение вакуума означает, что расширение Вселенной будет происходить вечно.

Если верны эти выводы теории, в более раннюю эпоху расширение Вселенной, напротив, должно было бы идти замедленно, поскольку оно тормозилось  гравитацией темного вещества. Его  плотность стала меньше плотности  вакуума, согласно теории, 6-8 миллиардов лет назад, и действительно, немногочисленные самые далекие сверхновые Ia указывают на замедленное расширение. На днях этот вывод был подтвержден совершенно независимыми данными спутника "Чандра" о горячем газе, наблюдающемся в рентгеновском диапазоне в скоплениях галактик. Отношение массы этого газа к массе темного вещества должно быть одинаково во всех скоплениях и отсюда можно получить расстояния скоплений галактик. Они показали, что замедленное расширение Вселенной сменилось ускоренным 6 миллиардов лет назад.

Доминирование антигравитации вакуума, по мнению А.Д.Чернина и его коллег, объясняет также и парадокс, отмеченный А.Сендиджем еще в 1972 г. - расширение Вселенной было открыто Хабблом по галактикам, находящимся казалось бы слишком близко, неоднородность их распределения в пространстве и связанные с этим гравитационные движения должны были бы замыть общее расширение. Недавние данные, полученные И.Д.Караченцевым и его сотрудниками на 6-м телескопе САО РАН, подтверждают, что изотропное расширение Вселенной начинается очень близко от нас, сразу же за пределами Местной группы галактик.

Итак, астрономические данные впервые  позволили определить плотность  энергии вакуума; они чреваты  новой революцией в физике, ибо  значение этой плотности необъяснимо  современной теорией.

Понятие о горячей Вселенной  и реликтовом излучении.

РЕЛИКТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ, космическое электромагнитное излучение, приходящее на Землю со всех сторон неба примерно с одинаковой интенсивностью и имеющее спектр, характерный для излучения абсолютно черного тела при температуре около 3 К (3 градуса по абсолютной шкале Кельвина, что соответствует –270° С). При такой температуре основная доля излучения приходится на радиоволны сантиметрового и миллиметрового диапазонов. Плотность энергии реликтового излучения 0,25 эВ/см³.