Читать книгу "Фабрика планет. Экзопланеты и поиски второй Земли - Элизабет Таскер"

Период, за который половина атомов 87Rb распадается в 87Sr, составляет 49,23 млрд лет. Он отлично подходит для оценки временных рамок образования планет. Если бы период полураспада был очень коротким (скажем, несколько лет), тогда атомы 87Rb исчезли бы задолго до того момента, когда изучаемый осколок горной породы достиг поверхности Земли. С другой стороны, существенно большая продолжительность этого отрезка времени означала бы отсутствие такого количества атомов 87Sr, которого было бы достаточно для проведения измерений. Поэтому достаточного уровня точности измерений методом радиоактивного датирования можно достичь в тех случаях, когда измеряемый период времени находится в промежутке от одной десятой периода полураспада до 10 периодов полураспада.

Измеряя текущее количество атомов 87Rb в метеорите и количество атомов 87Sr, образовавшихся в результате распада рубидия, ученые могут рассчитать, какая часть атомов распалась с момента формирования метеорита. Затем, зная период полураспада 87Rb, они могут определить, сколько времени прошло с момента образования горной породы.

В случае с углистым хондритом, таким, например, как метеорит Альенде, полученный описанным способом возраст указывает на самое начало истории нашей планеты. Он равен 4 560 000 000 годам.

Планетообразующий диск

Благодаря метеориту Альенде мы знаем, когда зародилась наша планета. Но что именно тогда она из себя представляла, остается для нас загадкой. Углистый хондрит вряд ли можно сравнить с четкой фамильной фотографией, на которой видны лица всех предков. Скорее он похож на размытое селфи дальнего кузена с датой в виде наспех нацарапанных закорючек в нижнем углу. Не имея более четкого представления об условиях, в которых началось формирование нашей планеты, мы не сможем понять, есть ли у нас шанс найти второй такой мир.

И пусть с семейным фотографом нам не повезло, у нас все же есть один достоверный факт об эпохе, когда мы родились: 4,56 млрд лет назад наше Солнце появилось на свет. Оказывается, связи всего лишь с одним-единственным событием — завершившимся незадолго до того формированием нашей звезды — достаточно, чтобы понять, как образуется планета.

Если мы углубимся в прошлое еще на несколько миллионов лет, взяв за точку отсчета момент образования первобытного метеорита, мы окажемся в одном из самых холодных мест в Галактике. Место это — колыбель нашего Солнца: умопомрачительно холодное облако газа с температурой –263 °C. Именно в таких звездных колыбелях и зарождаются все звезды в нашей Галактике. Эти облака состоят преимущественно из водорода, а их массы приблизительно в 1000–1 000 000 раз превышают массу Солнца. Поскольку они образуются в Галактике, которая находится в постоянном движении, газ в облаках распределяется не равномерно, а постоянно перемещается и перемешивается, как пух в старой перине, собираясь в плотные сгустки, называемые ядрами. В результате концентрации большой массы в небольшом пространстве под действием гравитации ядро начинает сжиматься, что делает его еще более плотным и ускоряет его коллапс. По мере уплотнения газ нагревается и рождается звездный эмбрион — протозвезда.

Хотя солирующую партию здесь исполняет гравитация, она — не единственная сила, заставляющая вещество сжиматься. Увлекаемый вращением Галактики и взаимодействиями с соседними облаками, газ в облаке-колыбели также вращается. Подобно тому, как при катании на детской карусели вас выталкивает наружу, вращение газа помогает ему сопротивляться действию гравитации. Эта дополнительная сила удерживает газ, вращающийся с наибольшей скоростью в ядре, в стороне от коллапсирующей протозвезды. В результате этого процесса, похожего на работу пиццайоло, который крутит тесто в руках, пока не получится плоская пицца, вокруг звезды формируется вращающийся диск газа.

По мере того как газ перестает сжиматься и начинает охлаждаться, частицы пыли конденсируются внутри диска подобно кристалликам льда, образующимся при замерзании водяного пара. Эти крошечные песчинки сливаются с хаотичным скоплением пыли, которое уже присутствует в газовой облаке, образуя первые твердые тела вокруг нашего Солнца. Так начинается процесс формирования планеты. Из мельчайших строительных блоков на этой газово-пылевой фабрике, которую называют «протопланетным диском», собираются все более массивные объекты.

Видимая простота описываемого процесса кажется несколько подозрительной. Ведь если бы все происходило именно так, тогда вокруг каждой звезды при ее рождении появлялся бы ее собственный планетообразующий диск. Может ли процесс образования планет и правда быть настолько широко распространен во Вселенной?

Проверить это нетрудно — например, можно поискать протопланетные диски вокруг существующих сейчас молодых звезд. Проблема в том, что эти диски не светятся. В отличие от звезды в центре, которая активно разогревается, превращаясь в колоссальный пылающий шар, окружающий ее пылевой диск не может сам излучать свет. Но при этом пыль должна поглощать исходящую от звезды энергию. Энергия света звезды должна нагревать пыль в протопланетном диске точно так же, как лучи летнего солнца раскаляют капот автомобиля. Нагревшись, пыль должна выделять тепло в виде низкоэнергетического излучения инфракрасного спектра.

Человеческий глаз не чувствителен к инфракрасному излучению, но найти камеры, которые могут его регистрировать, не так уж и трудно. К сожалению, этот вид устройств, отлично подходящий для фиксации тепла, исходящего от ночного грабителя, невозможно просто направить в небо, чтобы обнаружить там протопланетный диск. Причина в том, что, хотя звезда нагревает диск, его температура все равно может опускаться намного ниже любого значения, которое можно встретить на Земле. Чтобы излучаемое самой камерой тепло не мешало работе, ее придется охладить до температуры ниже той, которая фиксируется в звездной колыбели. Кроме того, собственная атмосфера Земли очень хорошо поглощает инфракрасное излучение; в этом она легко даст фору упомянутому выше грабителю, убегающему с вашим новым телевизором. Поэтому лучшее место для размещения такого инструмента — космос.

Даже несмотря на то, что поддерживать низкие температуры при работе с космическими телескопами проще, использовать их для охоты за инфракрасным излучением все равно можно только при наличии дополнительного охлаждения. Обычно нужная температура достигается с помощью жидкого гелия, который медленно испаряется, поглощая окружающее его тепло и поддерживая температуру телескопа на уровне –270 °C. Когда гелий полностью испаряется, телескоп слегка нагревается до умеренно мягких –244 °C.

Как раз такими телескопами, чья задача заключается в поиске дисков вокруг молодых звезд, были телескопы «Инфракрасная космическая обсерватория» (Infrared Space Observatory) и космический телескоп «Спитцер» (Spitzer Space Telescope). Первый был запущен в 1995 г. Европейским космическим агентством и продолжал работать до 1998 г., пока не закончился гелиевый хладагент. «Спитцер» — одна из «Больших обсерваторий» NASA. В эту знаменитую группу спутников также входит космический телескоп «Хаббл». «Спитцер» был запущен в 2003 г., хладагент на нем был выработан в мае 2009-го, но телескоп продолжил работу в режиме ограниченной нагрузки при более высокой температуре. Результаты работы этих телескопов не оставляли сомнений: все звезды младше миллиона лет окружены пылевыми дисками. Если этого набора условий достаточно для формирования планет, то вокруг каждой новой звезды действительно могут образовываться новые миры.