Под элегантным офисным зданием с красной черепичной крышей в испанском стиле в Пасадене, Калифорния, три обветшалых складских помещения хранят более века астрономии. Вниз по лестнице и направо находится подвал чудес. Здесь бесчисленное множество деревянных ящиков и ящиков, сложенных от пола до потолка, с телескопическими пластинами, рисунками солнечных пятен и другими записями. Слабый аммиачный запах, напоминающий старый фильм, наполняет воздух.
Одну кладовую охраняет короткая черная дверь с табличкой «Эта дверь должна быть закрыта».
Обсерватории Карнеги хранят 250 000 фотопластинок, сделанных в обсерваториях Маунт-Вилсон, Паломар и Лас-Кампанас за более чем 100 лет. В период своего расцвета 60-дюймовый и 100-дюймовый телескопы Маунт-Вилсон (больший увидел свой первый свет 1 ноября 1917 года) были самыми мощными инструментами в своем роде. Каждая из них неизгладимо изменила представление человечества о нашем месте в космосе. Но эти технологические чудеса опередили свое время - в одном случае они запечатлели знаки далеких миров, которые не будут распознаны еще целое столетие.
Гора Уилсон - это место, где в начале 20-го века были сделаны некоторые из ключевых открытий о нашей галактике и Вселенной. Именно здесь Эдвин Хаббл понял, что Млечный Путь не может быть пределом нашей Вселенной, потому что Андромеда (или М31) находится дальше, чем самые дальние уголки нашей галактики. Фотопластинка со 100-дюймового телескопа Хукера 1923 года, запечатлевшая это монументальное воплощение, взорвана как огромный плакат за пределами кладовых Карнеги.
Хаббл и Милтон Хьюмасон, чья карьера в Маунт-Вилсон началась в качестве уборщика, работали вместе, чтобы исследовать расширяющуюся природу Вселенной. Используя легендарные телескопы, а также данные обсерватории Лоуэлла во Флагстаффе, штат Аризона, они признали, что скопления галактик удаляются друг от друга - и более удаленные галактики удаляются друг от друга с большей скоростью.
Но есть гораздо менее известное открытие 100-летней давности на горе Вильсон, которое до недавнего времени было неопознанным и недооцененным. На самом деле это: первое свидетельство существования экзопланет.
Детектив
Все началось с Бена Цукермана, почетного профессора астрономии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. Он готовил доклад о составе планет и более мелких скалистых тел за пределами нашей Солнечной системы для симпозиума в июле 2014 года по приглашению Джея Фарихи, которым он помогал руководить, когда Фарихи был аспирантом Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. Фарихи предложил Цукерману рассказать о загрязнении белых карликов, которые представляют собой слабые мертвые звезды, состоящие в основном из водорода и гелия. Под «загрязнением» астрономы подразумевают попадание тяжелых элементов в фотосферы - внешние атмосферы - этих звезд. Дело в том, что всех этих лишних элементов там быть не должно - сильная гравитация белого карлика должна втягивать элементы внутрь звезды, а не из поля зрения.
Первый идентифицированный загрязненный белый карлик называется Звездой ван Маанена (или "ван Маанен 2" в научной литературе) в честь его первооткрывателя Адриана ван Маанена. Ван Маанен нашел этот объект в 1917 году, заметив его незначительное движение относительно других звезд между 1914 и 1917 годами. Астроном Уолтер Сидней Адамс, который позже стал директором Маунт Вильсон, зафиксировал спектр - химический отпечаток - звезды ван Маанена на небольшом стеклянная пластина с помощью 60-дюймового телескопа Маунт-Вилсон. Адамс интерпретировал спектр как звезду F-типа, предположительно основываясь на присутствии и силе поглощения кальция и других особенностей поглощения тяжелых элементов, с температурой несколько выше, чем у нашего Солнца. В 1919 году ван Маанен назвал ее «очень слабой звездой».
Сегодня мы знаем, что звезда Ван Маанена, которая находится на расстоянии около 14 световых лет от нас, является ближайшим к Земле белым карликом, не входящим в двойную систему.
«Эта звезда - икона», - недавно сказала Фарихи. "Это первый в своем роде. Это действительно прото-прототип."
Во время подготовки своего выступления у Цукермана было то, что он позже назвал «настоящим моментом« эврики »». Звезда Ван Маанена, о которой не знали астрономы, изучавшие ее в 1917 году, и те, кто думал о ней десятилетия спустя, должна быть первым наблюдательным свидетельством существования экзопланет.
Какое это имеет отношение к экзопланетам?
Тяжелые элементы в самом внешнем слое звезды не могли образоваться внутри звезды, потому что они немедленно утонули бы из-за сильного гравитационного поля белого карлика. По мере того, как в 20-м веке было обнаружено больше белых карликов с тяжелыми элементами в их фотосферах, ученые пришли к выводу, что экзотические материалы должны были появиться из межзвездной среды - другими словами, элементы, плавающие в пространстве между звездами.
Но в 1987 году, более чем через 70 лет после того, как спектр звезды Ван Маанена на горе Вильсон был получен, Цукерман и его коллега Эрик Беклин сообщили об избытке инфракрасного света вокруг белого карлика, который, по их мнению, мог исходить от слабого "неудавшегося" звезда», называемая коричневым карликом. В 1990 году это было интерпретировано как горячий пыльный диск, вращающийся вокруг белого карлика. К началу 2000-х годов появилась новая теория загрязненных белых карликов: экзопланеты могут подталкивать небольшие твердые тела к звезде, чья мощная гравитация превращает их в пыль. Эта пыль, содержащая тяжелые элементы из разорванного тела, затем упадет на звезду.
«Суть такова: если вы астероид или комета, вы не можете просто изменить свой адрес. Вам нужно что-то, что вас тронет», - сказал Фарихи. «Безусловно, лучшими кандидатами для этого являются планеты».
Космический телескоп НАСА Спитцер сыграл важную роль в расширении поля загрязненных белых карликов, вращающихся вокруг горячих пыльных дисков. С момента запуска в 2004 году Спитцер подтвердил около 40 таких особых звезд. Другой космический телескоп, NASA Wide-field Infrared Survey Explorer, также обнаружил горстку, в результате чего общее количество известно около четырех десятков. Поскольку эти объекты настолько тусклые, инфракрасный свет имеет решающее значение для их идентификации.
«Мы не можем измерить точное количество инфракрасного света, исходящего от этих объектов, с помощью наземных телескопов», - сказал Фарихи. «Спитцер, в частности, только что распахнул это настежь».
Поддерживая новую теорию «пыльного диска» притянутых белых карликов, в 2007 году Цукерман и его коллеги опубликовали наблюдения за атмосферой белого карлика, состоящей из 17 элементов - материалов, подобных тем, что обнаружены в системе Земля-Луна. (Покойный профессор Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Майкл Джура, внесший решающий вклад в изучение загрязненных белых карликов, был частью этой группы.) гравитация белого карлика. В настоящее время ученые в целом согласны с тем, что один белый карлик с тяжелыми элементами в своем спектре, вероятно, имеет по крайней мере один пояс каменистых обломков - остатки тел, которые сильно столкнулись и никогда не сформировали планеты - и, возможно, по крайней мере одну большую планету..
Итак, тяжелые элементы, которые оказались плавающими в межзвездной среде, не могли объяснить наблюдения. «Примерно через 90 лет после открытия ван Маанена астрономы сказали: «Вау, эта модель межзвездной аккреции не может быть верной», - сказал Цукерман.
В погоне за спектром
Вдохновленный Цукерманом, Фарихи увлекся идеей, что кто-то снял спектр с первым свидетельством существования экзопланет в 1917 году, и что должны существовать записи об этом наблюдении. «Я вцепился зубами в этот вопрос и не отпустил», - сказал он.
Фарихи связался с обсерваториями Карнеги, которым принадлежат телескопы на горе Вильсон и которые охраняют их архивы. Директор Карнеги Джон Мулчей поручил это дело добровольцу Дэну Кону. Коне порылся в архивах и через два дня Мулчей отправил Фарихи изображение спектра.
«Откровенно говоря, я не могу сказать, что был шокирован, но я был приятно удивлен, увидев, что подпись была там, и ее можно было увидеть даже человеческим глазом», - сказал Фарихи.
Спектр звезды ван Маанена, который запросил Фарихи, теперь находится в небольшом архивном конверте, помеченном рукописной датой «1917, 24 октября» и современной желтой липкой заметкой: «Возможно, первая запись экзопланеты».
Синтия Хант, астроном, председатель комитета по истории Карнеги, достала стеклянную пластину из конверта и поместила ее на экран, который зажегся. Сам спектр составляет примерно 1/6 дюйма или чуть более 0,4 сантиметра.
Хотя пластинка на первый взгляд кажется ничем не примечательной, Фарихи увидел два очевидных «клыка», представляющих провалы в спектре. Для него это было неопровержимым доказательством: две линии поглощения от одного и того же иона кальция означают, что в фотосфере белого карлика есть тяжелые элементы, что указывает на то, что у него, вероятно, есть по крайней мере одна экзопланета. Он писал об этом в 2016 году в New Astronomy Reviews.
Экзопланеты и диски обломков
Ученые долгое время считали, что гравитация планет-гигантов может удерживать на месте пояса обломков, особенно в молодых планетных системах. Недавнее исследование, опубликованное в The Astrophysical Journal, показало, что молодые звезды с дисками из пыли и обломков чаще имеют планеты-гиганты, вращающиеся на большом расстоянии от своей родительской звезды, чем планеты без дисков..
Белый карлик - это не молодая звезда, напротив, он формируется, когда звезда с малой и средней массой уже сожгла все топливо в своих недрах. Но принцип тот же: гравитационное притяжение гигантских экзопланет может отбрасывать маленькие твердые тела в белые карлики.
Наше собственное Солнце станет красным гигантом примерно через 5 миллиардов лет, расширившись настолько, что может даже поглотить Землю, прежде чем она сбросит свои внешние слои и станет белым карликом. В этот момент большое гравитационное влияние Юпитера может быть более разрушительным для пояса астероидов, отбрасывая объекты к нашему гораздо более тусклому Солнцу. Такой сценарий мог бы объяснить тяжелые элементы в звезде ван Маанена.
Наблюдения Спитцера за звездой Ван Маанена пока не обнаружили там никаких планет. Фактически, на сегодняшний день не было подтверждено ни одной экзопланеты, вращающейся вокруг белых карликов, хотя у одной есть объект, который считается массивной планетой. Другие убедительные доказательства появились только в последние пару лет. Используя обсерваторию В. М. Кека на Гавайях, ученые, в том числе Цукерман, недавно объявили, что они нашли свидетельство того, что объект, похожий на пояс Койпера, был съеден белым карликом.
Ученые все еще исследуют загрязненные белые карлики и ищут экзопланеты, которые они могут содержать. Около 30 процентов всех известных нам белых карликов загрязнены, но их обломочные диски труднее обнаружить. Джура предположил, что при столкновении большого количества астероидов с обломками пыль может превратиться в газ, который не будет иметь такого же хорошо обнаруживаемого инфракрасного сигнала, как пыль.
Фарихи был в восторге от того, чем закончилась его детективная работа в архиве Маунт Уилсон. В 2016 году он описал историческую находку в контексте обзора загрязненных белых карликов, утверждая, что белые карлики являются «привлекательными целями для исследования экзопланетных систем».
Кто знает, какие еще упущенные сокровища ждут своего открытия в архивах великих обсерваторий - записи наблюдений за небом космоса, богатого тонкостями. Конечно, те, кто движим любопытством и задают правильные вопросы, найдут другие подсказки.
«Личное взаимодействие с данными может действительно побудить нас вложиться в вопросы, которые мы задаем», - сказал Фарихи.