[вернуться к содержанию сайта]

    В конце XIX в. многие физические теории оказались в состоянии кризиса. Повышение точности лабораторных экспериментов и астрономических наблюдений привело к обнаружению тонких отличий природных явлений от теоретических прогнозов. Как известно, этот кризис в физике закончился лишь после создания в первые десятилетия XX в. трёх грандиозных интеллектуальных построений: квантовой механики, т.е. механики микромира, специальной (а точнее, частной) теории относительности, т.е. механики больших скоростей, а также общей теории относительности – новой теории гравитации. На этих “трёх китах” стоит современная наука и в значительной мере современная техника. С законами Ньютона и основами теории относительности нас знакомят в школе, но о том, что было в промежутке между триумфами двух физических картин мира: сначала ньютоновской, а затем эйнштейновской,– не знает почти никто.

    А между тем высказывались весьма нетривиальные идеи. Пытаясь объяснить все наблюдаемые явления в рамках ньютоновской механики, некоторые учёные полагали, что сила гравитации изменяется не в точности обратно пропорционально квадрату расстояния между телами (1/R²), а чуть-чуть иначе: например, с показателем степени, равным 2,00000016. Этого “чуть-чуть” хватало, чтобы объяснить странное движение Меркурия. Но эстетическое чувство не позволяло физикам принять закон гравитации в такой форме:

F=GM₁M₂/R^2,00000016.

    К тому же выяснилось, что при подобном допущении начинаются “неприятности” с остальными планетами.

    Другие учёные предполагали, что сила гравитационного притяжения зависит не только от расстояния между телами, но и от их скорости. Третьи рассматривали притяжение как результат колебаний некой упругой среды – эфира. Четвёртые – среди них был и русский инженер Ярковский, с которым мы ещё встретимся в этой главе,– представляли тяготение как давление потоков эфирных частиц. К началу XX в. было создано несколько весьма элегантных теорий тяготения, так что Альберту Эйнштейну было с кем конкурировать. Например, молодой швейцарский физик Вальтер Ритц, кстати, однокурсник Эйнштейна по цюрихскому Политеху, создал оригинальную теорию гравитации, похожую на электродинамику и дававшую почти те же результаты, что и общая теория относительности. К сожалению, Ритц имел слабое здоровье и умер в 1909 г. в возрасте 31 года. Развития его теория не получила, но только в 1960-е гг. она была сдана в архивы науки как не оправдавшаяся.

    В конце 1915 г. Эйнштейн опубликовал свою теорию гравитации, дав на её основе исчерпывающее объяснение странного движения Меркурия, которое в точности соответствовало наблюдениям. Он предсказал также ещё два новых эффекта: во-первых, лучи света должны отклоняться в поле тяготения массивных тел, например Солнца, а во-вторых, линии в спектрах компактных звёзд, например белых карликов, должны испытывать красное смещение. Оба прогноза вскоре оправдались. Это убедило многих, что и с особенностями движения Меркурия больше никаких проблем нет: теория относительности всё объяснила без привлечения гипотезы о таинственной планете Вулкан.

    Однако скептики всегда были и будут: оппозиция теории Эйнштейна существовала в течение многих лет, да и поныне не исчезла. А в прошлом веке альтернативных теорий было множество, и большинство из них апеллировали к астрономическим фактам. Например, астроном Гроссман в 1921 г. ставил вопрос о строгости работ Ньюкома. Он считал, что действительное смещение перигелия Меркурия заключено в пределах от 29″ до 38″, что слишком мало для теории Эйнштейна. Другие учёные, соглашаясь с результатами Ньюкома, пытались объяснить их вне рамок релятивистской теории. Например, профессор астрономии Колумбийского университета Чарльз Лейн Пур верил в эффективность гипотезы Зелигера: “Эйнштейн и его последователи приводили в доказательство своей гипотезы пример движения планет. Однако факты этого не подтверждают – его гипотезы и формулы не являются ни достаточными, ни необходимыми для объяснения расхождений в этих движениях. Они недостаточны, поскольку объясняют лишь единственное из многих наблюдаемых расхождений – перигелий Меркурия; они не необходимы, ибо все эти расхождения, включая и перигелий Меркурия, можно без труда объяснить влиянием – в соответствии с законом Ньютона – материи, сосредоточенной, как известно, в непосредственной окрестности Солнца и планет”¹.

    В своих ранних работах Пур отдавал предпочтение “материальному” объяснению аномалий в движении планет. Затем он пришёл к мысли о возможности объяснить каждую из них специально подобранным распределением вещества. В своей книге “Относительность против гравитации” (1922 г.) он даже пытался объяснить отклонение лучей света звёзд их преломлением в окружающем Солнце веществе.

    До сих пор продолжается придирчивая проверка общей теории относительности Эйнштейна, и гипотезы о Вулкане и прочих “возмутителях” Меркурия пока лежат на полке у теоретиков: кто знает, не понадобятся ли они вновь. Взять хотя бы проблему с формой Солнца… Свои расчёты Эйнштейн проделал, считая Солнце идеальным шаром. Но если полученное Дикке значение сплюснутости Солнца верно, то теория Эйнштейна уже не так хорошо согласуется с наблюдаемым движением Меркурия. Над этой проблемой физики работают до сих пор.

    А теперь вернемся к астрономам и их телескопам.

    Не довольствуясь лишь технической деятельностью, Ярковский посвящал свой досуг научным вопросам. В 1887 г. он создал “кинетическую гипотезу всемирного тяготения” и через год опубликовал её. В этой работе тяготению даётся чисто механическое толкование: Ярковский полагал, что гравитационное ускорение тел связано с давлением на них хаотически движущихся частиц эфира. Всем прочим физическим явлениям он также даёт чисто “кинетическое” объяснение.

    Напомню, что эфиром в то время называли гипотетическую среду, переносящую световые колебания. В том, что свет – это колебательный процесс, сомнений ни у кого уже не было, но трудно было понять, какая именно среда переносит эти колебания. Условно её называли эфиром, но о его природе имелись самые разные суждения. Ярковский представлял эфир как вполне материальный газ из микроскопических твёрдых частиц. Атомы же химических элементов он считал значительно более крупными агрегатами эфирных частиц. По мысли Ярковского, каждое физическое тело постоянно поглощает частицы эфира, которые внутри него объединяются в химические элементы, увеличивая тем самым массу тела – за счёт этого звезды и планеты растут. А гравитация, как легко понять, сводится к простому эффекту экранирования: присутствие рядом с вами массивного тела, поглощающего поток эфирных частиц, вызывает асимметрию действующего на вас “эфирного давления”, что и проявляется как притяжение к экранирующему телу.

    Однако вернёмся к работам Ярковского. Главной своей идеей он считал кинетическую гипотезу гравитации. Одним из её следствий был эффект частичного экранирования тяготения: взаимное притяжение двух тел должно было ослабляться, если между ними располагалось третье тело. Пытаясь проверить это опытным путём, Иван Осипович создал чувствительный измеритель силы тяжести – гравитоскоп – и в продолжение нескольких лет ежедневно по 5–6 раз в день проводил с ним измерения, пытался обнаружить эффект, связанный с суточным и годичным движением Земли, играющей роль экрана для наблюдателя на её поверхности. При этом он старался учесть влияние иных причин: вместе с показаниями прибора он фиксировал температуру и давление воздуха. Заметив регулярные вариации силы тяжести, Ярковский решил, что эффект экранирования обнаружен, но с выводами не спешил: “Для меня лично опыты мои были вполне убедительны и не оставили во мне ни малейшего сомнения в том, что сила тяжести не представляет собой чего-либо постоянного; но для того, чтобы подобное суждение было принято наукой, нужны, конечно, новые, более точно обставленные опыты, притом не одного человека, а нескольких компетентных лиц, и с более точными приборами. Я буду вполне вознаграждён, если моё настоящее заявление побудит к производству этих опытов”. И побудило: такие опыты проводились весь XX век как профессиональными учёными, так и любителями науки.

    Мы не будем здесь детально обсуждать теорию гравитации Ярковского. Скажем только, что она относится к тем механистическим моделям тяготения, которые были порождены в XIX в. успехами кинетической теории газов. На определённом этапе эти модели были весьма популярны, в их разработке принимали участие корифеи теоретической физики – Максвелл, Пуанкаре и др. Упорные попытки создать на смену феноменологической модели Ньютона более наглядную “физическую” модель гравитации продолжались ещё в начале XX в. Например, крупнейший нидерландский физик Хендрик Лоренц (1853–1928) в статье “Размышления о тяготении” (1900 г.) рассматривал практически тот же механизм экранирования, что и Ярковский, но как источник давления предполагал не частицы эфира, а цуги электромагнитных волн, равномерно заполняющих пространство. Но в конце концов история физики зафиксировала это направление как тупиковое, и профессиональные физики более к нему не обращались.

    Тем не менее, хотя механистическая теория гравитации не получила развития, имя Ярковского не кануло в Лету. Рассматривая следствия своей идеи о гравитации, он пришёл к по-настоящему оригинальной идее, которая оказалась практически забыта на его родине, но нам о ней напомнили из-за рубежа. Речь идёт о так называемом эффекте Ярковского. Сам Иван Осипович пришёл к этой идее в поисках ответа на вопрос, почему движение планет не тормозится сопротивлением эфира. Само существование светоносного эфира он не подвергал сомнению, как и большинство физиков той эпохи. Но, как человек технического склада ума, он не разделял точку зрения сторонников нематериальной среды, переносящей свет и при этом не участвующей в механических взаимодействиях. Ярковский считал эфир тонкой, но вполне ощутимой средой, состоящей из микроскопических частиц и тормозящей движение погруженных в неё тел: “Если эфир есть материальный газ, то как бы он ни был упруг и тонок, всё же он должен оказывать известное сопротивление движению… Между тем одна из точнейших наук, астрономия, доказывает нам неопровержимо, что подобного замедления в движении небесных тел совершенно не замечается”.

    В конце 1980-х несколько групп астрономов в разных странах создали высокоточные оптические спектрометры и начали систематические измерения скоростей ближайших к Солнцу звёзд. Эта работа специально была нацелена на поиск экзопланет и через несколько лет действительно увенчалась успехом (см. ниже). Но первыми открыли экзопланету не оптики, а радиоастрономы, причём не одну, а сразу целую планетную систему. Произошло это в ходе исследования радиопульсаров – быстро вращающихся нейтронных звёзд, излучающих строго периодические радиоимпульсы. Поскольку пульсары – чрезвычайно стабильные источники, радиоастрономы могут применять к ним метод хронометража и выявлять таким образом их движение со скоростью порядка 1 сантиметра в секунду (!), а значит, обнаруживать рядом с ними планеты с массами в сотни раз меньше, чем у Юпитера.

    Первое сообщение в журнале “Nature” об открытии планетной системы вокруг пульсара PSR1829-10 (обозначался также PSR1828-11 и PSR В1828-10, современное обозначение PSR J1830-10) сделала в середине 1991 г. группа радиоастрономов Манчестерского университета (М. Бэйлес, А. Лин и С. Шемар), наблюдающих на радиотелескопе в Джодрелл-Бэнк. Они объявили, что вокруг нейтронной звезды, удалённой от Солнца на 3,6 кпк, обращается планета в 10 раз массивнее Земли по круговой орбите с периодом 6 месяцев. В 1994 г. в неопубликованном сообщении авторы уточнили, что планет три: с массами 3, 12 и 8 земных и периодами соответственно 8, 16 и 33 месяца. Однако до сих пор это открытие не подтверждено независимыми исследованиями и поэтому остаётся сомнительным.

    Первое подтвердившееся открытие внесолнечной планеты сделал польский радиоастроном Алекс Вольцжан (A. Wolszczan), который с помощью 305-метровой антенны в Аресибо изучал радиопульсар PSR 1257+12, удалённый примерно на 300 пк от Солнца и посылающий импульсы через каждые 6,2 мс. В 1991 г. учёный заметил периодическое изменение частоты прихода импульсов. Его американский коллега Дейл Фрейл подтвердил это открытие наблюдениями на другом радиотелескопе. К 1993 г. выявилось присутствие рядом с пульсаром PSR 1257+12 трёх планет с массами 0,02; 4,1 и 3,8 массы Земли, обращающихся с периодами 25, 67 и 98 сут. В 1996 г. появилось сообщение о присутствии в этой системе четвёртой планеты с массой Сатурна и периодом около 170 лет, но оно осталось неподтверждённым.

    Лёгкость, с которой планеты были найдены у первого пульсара, вдохновила радиоастрономов на анализ сигналов и других пульсаров (их сейчас открыто около 2000). Но поиск оказался почти безрезультатным: лишь ещё у одного далёкого пульсара (PSR В1620-26) обнаружилась планета-гигант в 2,5 раза массивнее Юпитера. До недавнего времени планетная система пульсара PSR 1257+12 демонстрировала нам единственный пример планет типа Земли за пределами Солнечной системы.

    Считается весьма странным, что вообще рядом с нейтронной звездой обнаружились маломассивные спутники. Рождение нейтронной звезды должно сопровождаться взрывом сверхновой. В момент взрыва звезда сбрасывает оболочку, вместе с которой теряет большую часть своей массы. Поэтому её остаток, нейтронная звезда-пульсар, не может своим притяжением удержать планеты, которые до взрыва быстро обращались вокруг массивной звезды. Возможно, обнаруженные у пульсара планеты сформировались уже после взрыва сверхновой, но из чего и как – не ясно. Пока планетные системы нейтронных звёзд по причине их непонятного происхождения считают чем-то “неполноценным”.

    Первую “настоящую” экзопланету обнаружили в 1995 г. астрономы Женевской обсерватории Мишель Майор (М. Mayor) и Дидье Келоз (D. Queloz), построившие оптический спектрометр, определяющий доплеровское смещение линий с точностью до 13 м/с. Любопытно, что американские астрономы под руководством Джеффри Марси (G. Marcy) создали подобный прибор раньше и ещё в 1987 г. приступили к систематическому измерению скоростей нескольких сотен звёзд; но им не повезло сделать открытие первыми. В 1994 г. Майор и Келоз приступили к измерению скоростей 142 звёзд из числа ближайших к нам и по своим характеристикам похожих на Солнце. Довольно быстро они обнаружили “покачивания” звезды 51 в созвездии Пегас (51 Peg), удалённой от Солнца на 15 пк. Колебания этой звезды происходят с периодом 4,23 сут. и, как заключили астрономы, вызваны влиянием планеты с массой 0,47M_j.

    Это удивительное соседство озадачило учёных: совсем рядом со звездой, как две капли воды похожей на Солнце, мчится планета-гигант, обегая её всего за четыре дня; расстояние между ними в 20 раз меньше, чем от Земли до Солнца. Не сразу поверили астрономы в это открытие. Ведь обнаруженная планета-гигант из-за её близости к звезде должна быть нагрета до 1000 К. “Горячий юпитер”? Такого сочетания никто не ожидал. Быть может, за покачивания звезды была принята пульсация её атмосферы? Однако дальнейшие наблюдения подтвердили открытие планеты у звезды 51 Peg. Для неё даже было предложено имя – Эпикур, но оно пока не получило признания. Затем обнаружились и другие системы, в которых планета-гигант обращается очень близко к своей звезде.

    Метод прохождений также доказал свою эффективность. Сейчас фотометрические наблюдения за звёздами ведутся как с борта космических обсерваторий, так и с Земли. Все современные фотометрические инструменты имеют широкое поле зрения. Измеряя одновременно блеск миллионов звёзд, астрономы существенно увеличивают свой шанс обнаружить прохождение планеты по диску звезды. При этом, как правило, обнаруживаются планеты, часто демонстрирующие “затмение” звезды, т. е. имеющие короткий орбитальный период, а значит – компактную орбиту.

    Термин “горячий юпитер” стал настолько привычным, что никого уже особенно не удивило открытие в 2009 г. планеты WASP-18b, имеющей массу 10M_j и обращающейся по почти круговой орбите на расстоянии 0,02 а. е. от своей звезды. Орбитальный период этой планеты составляет всего 23 часа! Учитывая, что звезда WASP-18 (HD 10069) имеет спектральный класс F9 и обладает большей светимостью, чем Солнце, температура поверхности планеты должна достигать 3800 К: это уже не просто “горячий”, а “раскалённый юпитер”. Из-за близости к звезде и своей большой массы планета вызывает сильные приливные возмущения на поверхности звезды, которые, в свою очередь, тормозят планету и в будущем приведут к её падению на звезду.