Загадки космоса. Планеты и экзопланеты

Метод измерения сдвигов в спектре звезд, который использовал Гриффин, вообще говоря, не позволял отличить инструментальные и атмосферные погрешности от особенностей спектров звезд. Но решение нашлось довольно быстро. Было известно, что газы, составляющие земную атмосферу, формируют в попадающем в телескоп свете от космического источника уникальный рисунок из линий поглощения, называемых теллурическими. И в 1973 году для измерения радиальных скоростей звезд в качестве эталона длины волн решили использовать теллурические линии молекулярного кислорода – относительно него и начали вычислять доплеровские сдвиги в спектрах звезд⁴⁷. Реализация этого недорогого и легко осуществимого метода позволила увеличить погрешность измерения радиальных скоростей звезд примерно до ±20 м/с.

На полученный от звезды свет, помимо инструментальных, накладывались искажения от переменчивой, находящейся в вечном движении атмосферы. Теллурический метод не позволял устранить дрожание земной атмосферы, что оказывало значительное влияние на точность измерений. Но если использовать естественную атмосферу нельзя, то, конечно же, необходимо создать собственную! Делается это следующим образом: берется герметичная стеклянная ячейка, наполняется нужным газом и размещается на оптическом пути света, падающего в телескоп, непосредственно перед щелью спектрографа. В итоге получается стабилизированная по температуре безветренная «атмосфера» с постоянным спектром, линии поглощения которой служат эталоном длины волн. Наличие такой «линейки» позволяет еще точнее определять смещение спектральных линий в принимаемом свете звезд.

Первыми, кто использовал газовые ячейки для определения радиальных скоростей звезд, были канадские ученые Гордон Уокер и Брюс Кэмпбелл, недавно защитивший докторскую диссертацию[35]. Для своих исследований они выбрали 3,6-метровый телескоп на Гавайях с традиционно неприхотливым названием Canada – France – Hawaii Telescope («Телескоп Канада – Франция – Гавайи»), или CFHT[36]. В 1979 году Уокер и Кэмпбелл предложили использовать в качестве эталона длины волн линии поглощения фтористого водорода⁴⁸. Работать с фтористым водородом из-за его токсичности было небезопасно, но оно того стоило! Погрешность измерения радиальных скоростей теперь составляла ±15–25 м/c, и на нее никак не влияла переменчивая атмосфера Земли. Для сравнения: амплитуда колебания радиальной скорости движения Солнца, вызванная взаимодействием с Юпитером, составляет около 13 м/с. Если бы Юпитер имел чуть бо́льшую массу или находился чуть ближе к Солнцу, амплитуда колебания радиальной скорости Солнца как раз попадала бы в «рабочий диапазон» спектрометра на телескопе CFHT. Это означает, что прибор, построенный Уокером и Кэмпбеллом, потенциально мог обнаруживать экзопланеты массой в несколько масс Юпитера. Гонка началась!

Благодаря методу доплеровской спектроскопии можно не только обнаруживать звезды, обладающие планетными системами, но и получать важную информацию об их планетах. Давайте считать, что у звезды вращается только одна планета. Наличие других планет принципиально ничего не изменит, но увеличит длину формул для расчетов. Итак, для начала нужно вычислить массу родительской звезды и расстояние между Солнцем и этой звездой, а затем искать массу планеты и параметры ее орбиты. Расстояние до относительно близкой звезды проще всего находить, измеряя годичный параллакс (большую полуось земной орбиты делим на параллакс). Световой поток слабеет пропорционально квадрату пройденного расстояния, а следовательно, легко определяется светимость звезды. Ну а масса звезд пропорциональна их светимости, поэтому тоже легко находится. Получив основные характеристики звезды, астрономы вычисляют характеристики планеты.

Период колебаний радиальной скорости звезды равен периоду орбитального вращения планеты. Зная, сколько на планете длится год, можно рассчитать расстояние между планетой и звездой согласно третьему закону Кеплера. Масса предполагаемой планеты прямо пропорциональна амплитуде колебания радиальной скорости звезды. Важно то, что радиальная скорость дает нам только минимальную массу гравитационно связанного со звездой объекта, поскольку радиальная скорость – лишь составляющая полной скорости звезды. Масса планеты, которую находят благодаря методу радиальных скоростей, может быть представлена как произведение двух неизвестных величин: фактической массы планеты и sin(i) – множителя, который характеризует наклон орбиты по отношению к земному наблюдателю.