Нобелівська премія-химера з фізики

Нобелівська премія з фізики 2019 року виявилася свого роду химерою (в сенсі — голова одного звіра, тулуб — іншого). Вона поділена на дві частини, абсолютно не пов’язані один з одним — взагалі належать до різних областей: космологія та екзопланети. Формально таке не заборонено, але якось не дуже елегантно — принаймні, досі подібного намагалися уникати. Половина премії присуджена відомому космологу Джеймсу Піблсу. Друга — першовідкривачам екзопланет Мішелю Майору і Дідьє Кело. Половини не тільки відносяться до абсолютно різних областей, а й протилежні за духом: Піблсу премію присуджено за сукупністю робіт, що об’єднується аморфним формулюванням «За видатний внесок у космологію». Майору і Кело — за одне яскраве відкриття, для викладу якого вистачило б короткого повідомлення з одним малюнком і яке перевернуло цілу область науки і вплинуло на загальний світогляд. Звичайно, якби не Майор з Кело, відкриття було б скоєно кимось іншим протягом того ж року, але саме цим двом випав щасливий квиток.

Премія за сукупністю

Торкнемося коротко частини премії Піблса і потім докладніше розповімо про відкриття екзопланет, оскільки це більш яскрава і драматична історія.

Космолог Джеймс Піблс

Ось найбільш важливі роботи.

• Реліктове випромінювання (1965). Багато пізніше Гамова, але проаналізована реальна можливість його реєстрації. Один із співавторів, Дікке, пояснив Пензіасу і Вільсону, яке велике відкриття вони зробили.
• Первинний нуклеосинтез у гарячому Всесвіті (1966). Це вже робив Георгій Гамов, тут — більш точний аналіз.
• Акустичні осциляції (1970). Передбачення дуже важливого ефекту: контраст неоднорідностей на карті реліктового випромінювання повинен залежати від розмірів цих неоднорідностей. Спочатку ідея сходить до А.Д. Сахарова, який застосував її для неправильної моделі Всесвіту (холодної) 1. Пізніше для реалістичної моделі гарячого Всесвіту ефект був проаналізований заново, незалежно Піблсом з Юй Цзе-Таєм і Сюняєвим з Зельдовичем (трохи раніше в тому ж 1970 році).
• Великомасштабна структура Всесвіту (як результат первинних обурень щільності), утворення галактик, їх скупчень з первинних неоднорідностей.
• Космологія з темною енергією (прискорене розширення Всесвіту, спостереження якого було відзначено Нобелівською премією раніше).

Всі роботи важливі, але тягнуть на Нобелівську премію тільки за сукупністю. Піблс — один з плеяди видатних космологів вивчають Всесвіт після Великого вибуху, яких досить важко ранжувати за внеском у науку. З наших вчених до цієї плеяди належить Рашид Сюняєв. І ще окремо існує плеяда космологів «до Великого вибуху» (теорія космологічної інфляції), в яку з наших співвітчизників входять Андрій Лінде, В’ячеслав Муханов і Олексій Старобінський. Коли-небудь у Нобелівського комітету дійдуть руки і до теорії інфляції.

Грім з ясного нічного неба

Першовідкривачі екзопланет Дідьє Кело і Мішель Майор

Ріс. 1. Історичний малюнок з роботи Mayor & Queloz (1995). Зміна променевої швидкості зірки 51 Пегаса залежно від фази періоду (4,2 дня)

Перейдемо до другої половини премії. Відкриття Мішеля Майора і Дідьє Кело в жовтні 1995 року прозвучало як грім з ясного неба. Знайдено періодичне зміщення спектральних ліній сонцеподібної зірки 51 Пегаса (рис. 1). Зміщення ліній викликано ефектом Доплера — поверхня зірки то наближається до нас, то віддаляється від нас. Природна інтерпретація — зірка обертається навколо загального центру тяжкості з якоюсь планетою.

Але що це була за планета? З величини доплерівського зміщення і періоду випливало, що це планета, якої не може бути! Планета з масою порядку маси Юпітера, що звертається навколо зірки за 4 дні, в 20 разів ближче, ніж Земля до Сонця. Там взагалі не може бути планет, тим більше гігантів — їм там нема з чого утворитися! У такій близькості до зірки немає речовини, там діють величезні приливні сили, що перешкоджають зростанню планет.

Наукова громадськість повірила у відкриття не відразу. Перша типова реакція: це не планета, це періодичне дихання зірки. Дихання зірки дійсно може дати синусоїдальну зміну променевої швидкості. Але при цьому буде змінюватися і яскравість, але не так, як у випадку планети, — з іншою амплітудою і фазою. У 51 Пегаса яскравість змінювалася саме так і в тій фазі, як це було б у випадку планети. Протягом одного-двох місяців наукова громадськість визнала відкриття екзопланети.

Строго кажучи, Майор і Кело відкрили не першу ^{екзопланету2}. По-перше, раніше були знайдені планети, що обертаються навколо пульсарів, 1991 року Олександр Вольщан знайшов періодичне зрушення фази ним же виявленого пульсара. Незабаром у сигналі від цього пульсара промалювалися ще два періоди — всього три планети, одна з яких за масою порівнянна з Місяцем. Але це були неправильні планети! Справа в тому, що пульсар утворюється при вибуху наднової, який руйнує планетну систему — планети або випаровуються, або викидаються. Пульсарні планети, швидше за все, утворилися після вибуху наднової із залишків зірки — та частина матеріалу (невелика), що була викинута при вибуху з мінімальною швидкістю, утворила новий протопланетний диск, а потім і нові планети. Звичайно, умови на цих планетах жахливі…

Методика виявлення пульсарних планет незрівнянно простіша, ніж для нормальних зірок: пульсар — найточніший таймер, і потрібно просто зловити періодичний зсув його фази. Явище це не настільки часте — відомо всього три пульсари з планетами. Проте Вольщан зробив цікаве відкриття, і можна припустити, що якби вся премія цього року пішла на екзопланети, то він би став третім лауреатом.

Крім відкриття пульсарних планет, до 1995 року відбулося ще одне «недовідкриття» і одне втрачене відкриття екзопланет. У 1988 році канадські астрономи Брюс Кемпбелл, Гордон Волкер і Стефенсон Янг опублікували статтю з вказівками на планету у зірки Гамма Цефея. Період обігу — 2,5 роки, мінімальна маса планети — 1,6 маси Юпітера. Автори не надто наполягали на відкритті: точність даних і статистична значимість ефекту залишали бажати кращого, та й планета здавалася дивною. Як альтернативне пояснення наводилася активність зірки. Згодом ця екзопланета була надійно підтверджена в 2003 році.

Згаяне відкриття містилося в даних, отриманих Джефом Марсі і Полом Батлером. Треба сказати, що це були дуже сильні конкуренти нинішніх нобелівських лауреатів — точність їх вимірювань променевої швидкості була вище, а досвід — більше. Марсі з Батлером давно вели вимірювання променевої швидкості зірки 16 Лебедя. У статті 1999 року наведено дані про променеву швидкість цієї зірки, отримані з 1988 року. На рис. 2 прекрасно видно, що променева швидкість 16 Лебедя сильно скакала до 1995 року, але закон, за яким вона змінювалася, був абсолютно неочевидний. І він був дійсно нетривіальним — у цієї планети сильно витягнута орбіта, тому пилоподібна крива її променевої швидкості не має нічого спільного з синусоїдою. Здогадатися про це, дивлячись на рідкісні стрибаючі точки було непросто. Зараз ми можемо сказати, що треба було при першій же підозрі вимірювати променеву швидкість набагато частіше, як після 1995 року. Тоді планета була б відкрита набагато раніше. Всі ми міцно заднім розумом…

Рис, 2. Крива променевої швидкості зірки 16 Лебедя з роботи Hauser & Marcy (1999). Експериментальні точки — повний набір спостережень зірки, зроблених в Лікській обсерваторії

Що ж до 51 Пегаса, то, за словами Марсі, вони упустили її з дурної випадковості: у каталозі, яким вони користувалися, зірка була позначена як «змінна», тому її виключили з першочергових цілей.

Як це робиться

Нарешті, пару слів про метод променевої швидкості, за допомогою якого знайшли перші планети, а також знайшли і ще знайдуть найближчі «землі».

Вираз «планета обертається навколо зірки» не зовсім точно. І та, й інша обертаються навколо загального центру тяжкості. Як правило, цей центр тяжкості знаходиться всередині зірки, але так чи інакше зірка під впливом планети рухається, так що зовнішній спостерігач за допомогою ефекту Доплера може виявити цей періодичний рух до себе/від себе.

У будь-якої зірки є маса спектральних ліній, в основному це лінії поглинання різних речовин в її атмосфері. Коли зірка наближається до нас, її спектральні лінії зміщуються в синю сторону, коли видаляється — в червону. Треба уточнити, що таким чином вимірюється проекція вектора швидкості зірки на промінь зору. Ця величина називається променевою швидкістю, або радіальною швидкістю. Тому амплітуда коливань швидкості залежить від орієнтації площини орбіти планети: якщо ця площина перпендикулярна променю зору, то спостерігач нічого не виявить.

Швидкість руху Сонця в парі з Юпітером — 12 м/с. У парі із Землею — 10 см/с (ці рухи складаються). Для випадку Юпітера зміщення складе 3 ст.110 ^‑ 7, для Землі 3 ст.110 ‑ 10 довжини хвилі (відносне зміщення ліній при швидкостях, багато менших швидкості світла, дорівнює V/c). Але це не найскладніше. Основна проблема в тому, що лінії широкі. У зірки немає нічого твердого, за що можна зачепитися при вимірюванні швидкості. Зірка обертається, вирує і — головне — сильно нагріта. Теплові швидкості атомів — кілька кілометрів на секунду. Нам треба вимірювати метри в секунду, якщо ми шукаємо юпітер у іншої зірки, і сантиметри в секунду, якщо шукаємо землю. Тобто треба вимірювати зміщення спектру на одну тисячну ширини ліній у разі узагальненого юпітера і на одну стотисячну в разі землі.

Вимірювати променеву швидкість зірки з точністю близько 20 м/с навчилися в 1980-х. Як цього домоглися? Перша проблема полягає в твердій шкалі, щодо якої вимірюється зміщення спектра. Для відносного зміщення порядку 10 _ 7 це не настільки просте завдання — все одно, що виміряти десятиметровою рулеткою мікронні зміщення.

Рис, 3. Ілюстрація методу вимірювання променевої швидкості. На малюнку показано дуже маленьку ділянку спектру — 1,5 ангстрема. Зверху — спектр поглинання парів іоду в комірці. Нижче — шаблонний спектр зірки. Третій зверху — спостережуваний спектр. Нижній — залишковий спектр при відніманні розрахункового спектра з спостережуваного, помножений на 10. Завдання — мінімізувати залишковий спектр, рухаючи шаблонний спектр зірки. На малюнку — лише частки відсотка всього спектрального інтервалу, по якому йде мінімізація. Малюнок зі статті Buttler et al. (1996)

Ще в 1970-х була висунута ідея використовувати в якості подібної твердої шкали пари речовини з багатьма лініями поглинання. У 1984 році А. Кох і Х. Вель запропонували використовувати в якості поглинаючої речовини прозорий осередок з парами іоду. Іод обраний тому, що у нього дуже порізаний і широкий спектр поглинання: великий атом дає багато рівнів і переходів між ними. Комірка поміщається в телескоп так, що світло зірки проходить крізь неї і на виході отримують накладення двох спектрів.

Хитрість методу іодної комірки полягає в тому, що вимірюється не положення спектра зірки, а форма сумарного спектру зірки та іоду, залежна від зміщення. Виявляється, це набагато легше. Форма найсильніше змінюється там, де крутий схил одного спектру накладається на крутий схил іншого, причому вирізаність спектрів гарантує, що таких збігів буде багато і навіть нікчемні зміщення дадуть вимірюваний ефект. Виходить щось на зразок великого штангенциркуля з величезною кількістю ризиків. Завдання витягнути з сумарного спектру швидкість зірки не настільки проста і вимагала досить великих за мірками кінця XX століття обчислювальних ресурсів. У другій половині 1980-х метод променевої швидкості давав точність близько 20 м/с, до моменту відкриття 51 Пегаса точність була 10-15 м/с, зараз підбираються до рівня 30 см/с, а від цього вже не так далеко до відкриття двійника Землі біля сонцеподібної зірки.

Література1

. Butler R. P., Marcy G. W., Williams E., et al. Attaining Doppler Precision of 3 M s⁻¹ // Publications of the Astronomical Society of the Pacific, 1996, v. 108, p. 500.

2. Mayor M., Queloz D. A Jupiter-mass companion to a solar-type star // Nature, 1995, v. 378, p. 355–359.

3. Hauser H. M., Marcy G. W. The orbit of 16 Cygni AB // Publications of the Astronomical Society of the Pacific, 1999, v. 111, № 757, p. 321.

¹ Див. Рубаков В., Штерн Б. Масштабна лінійка Всесвіту//ТрВ-Наука № 83 від 19 липня 2011 року, с. 2-3.

² Штерн Б. Екзопланети (сучасні факти )//ТрВ-Наука № 49 від 16 березня 2010 року, с. 10-11.