Парадокс Kepler лопнул из-за эффекта мокрой майки

В конце прошлой недели команда космического телескопа Kepler опубликовала сообщение о паре исключительно необычных объектов в созвездии Лебедя. Телескоп, созданный для поиска похожих на Землю планет, вместо новых земель обнаружил два маломассивных тела -- KOI-74b и KOI-81b, которые горячее своих в общем-то неприметных звезд.

Парадоксальные спутники

Ученые под руководством Джейсона Роу обратили внимание на короткие затмения двух звезд, вызванные периодическим прохождением непонятных спутников по их дискам. По глубине затмения можно оценить размер спутников, один из которых оказался чуть меньше, а другой -- вдвое больше Юпитера. Это размеры планет или несостоявшихся звезд -- бурых карликов, масса которых недостаточна для начала ядерных реакций в их центрах.

Однако вторичные затмения, которые возникают, когда спутник скрывается за телом звезды, оказались глубже, чем первичные затмения, во время которых спутники частично затмевают звезды. Это означает, что поверхность спутника ярче и горячее поверхности его родительской звезды. Температуру спутников ученые оценили в 12 300 и 13 500 градусов по шкале Кельвина. Это уже никак не характеристика ни планет, ни даже бурых карликов, а совершенно звездные температуры.

Но главной сенсацией стало измерение массы горячих спутников, в первую очередь тела, кружащегося вокруг звезды KOI-74. Оно находится близко к звезде и своим притяжением вытягивает сферическую звезду в своего рода картофелину. Звезда обращается к нам то своей длинной, то короткой стороной, по два раза за период обращения в системе. Ровно такие двугорбые колебания ученые и увидели в кривой блеска. Из амплитуды колебаний несложно оценить вытянутость звезды, а из нее -- массу вытягивающего ее спутника. И в случае с KOI-74b масса оказалась всего 30 масс Юпитера, или 0,03 массы Солнца. Никак не звезда.

Понять, что это за объекты, авторы сообщающей об открытии статьи не смогли. Для KOI-74b, к примеру, объяснений не было вовсе. Некоторые астрономы даже почти всерьез предполагали фантастические, по их собственным словам, сценарии. Например, превращение обычной планеты в кварковую звезду в результате попадания в нее небольшой капельки так называемого странного вещества, способной конвертировать в такое же вещество и обычную материю. Казалось, речь шла об обнаружении совершенно нового класса астрономических объектов, и астрономы уже успели окрестить обнаружение необычных объектов парадоксом Kepler.

Собратья по обмену

Похоже, интрига не продержалась и недели. Астрономы из Китая, Канады, США и Великобритании под руководством Мартена ван Керквейка показали, что KOI-74b, скорее всего, все-таки белый карлик. По расчетам ученых, температура его даже выше, чем оценили Роу и его коллеги, -- примерно 13 тысяч кельвинов. Однако масса этого объекта не 0,03, а 0,2 массы Солнца. И существует естественный эволюционный сценарий, который приводит к появлению такого горячего белого карлика рядом со звездой класса A. Случай с KOI-81b объясняется примерно так же.

По мнению астрономов, среди которых несколько специалистов по звездной эволюции, необычные звездные системы -- итог совместной жизни двух относительно небольших звезд, массой около полутора-двух масс Солнца, сформировавшихся очень неподалеку друг от друга. Они мирно сосуществовали сотни миллионов лет, постепенно исчерпывая запасы ядерного горючего в центре и оттого едва заметно распухая. Так со временем распухает и Солнце, так что примерно через миллиард лет, задолго до того, как Солнце станет красным гигантом, на Земле уже будет слишком жарко для жизни, зато для нее сможет подойти Марс.

Мирное сосуществование закончилось, когда первая из звезд заполнила так называемую полость Роша -- грубо говоря, область своих космических владений, в пределах которых безраздельно правит ее гравитация. С переполнением полости Роша началось перетекание газа на вторую компоненту. Соседка становилась все полнее и моложе на вид и царствовала во все большем объеме, а первая звезда, наоборот, теряла массу все интенсивнее.

Так она и худела, до тех пор пока давление в ее центре не стало недостаточным для поддержания ядерных реакций. Равновесие нарушилось. После нескольких бурных, но уже не таких важных эпизодов эволюции оболочка ее улетучилась, осталось лишь остывающее ядро, которое состоит почти исключительно из гелия. И вместо двух более или менее равных напарниц, с которых началась эта история, остались пополневшая и омолодившаяся звезда класса A (или B, для KOI-81) и горячий и маленький спутник, который чуть было не свел с ума астрономов Земли в начале 2010 года. Мы поймали систему в те несколько миллионов лет, пока белый карлик еще не сильно остыл.

Кстати, у KOI-74 и KOI-81 есть очень яркая родственница -- двойная система из массивной звезды и маленького горячего спутника, которая, вероятно, пережила очень похожую историю. Это звезда Регул, α (альфа) Льва, которая зимними ночами ярко светит высоко в юго-восточной части неба, точнее, Регул A, самая яркая компонента этой сложной системы. Совсем недавно ученые нашли в ее спектре следы небольшого спутника на очень тесной орбите. Правда, что сам Регул A, что белый карлик у него в напарниках чуть массивнее парадоксальных двойных Kepler, примерно в полтора раза.

Получается, никакого парадокса и нет. Странная система объяснена. На этом можно было бы и закончить, если бы не поучительная история и удивительный метод, который помог ученым разобраться в ней и измерить массу загадочных объектов.

Мокрая майка с длинной картошкой

Собственно, самое интересное в работе ван Керквейка и его коллег (помимо разрешения парадокса) -- это то, как именно они определили массу горячего спутника. Похоже, это первый случай, когда ученым удалось взвесить небесное тело без использования спектров, исключительно по колебаниям потока света от небесного тела. Спасибо исключительной точности измерения этой величины космическим телескопом Kepler.

Спектров KOI-74 и KOI-81 у ученых пока нет, по крайней мере такие данные не опубликованы. Именно поэтому Роу и пришлось определять массу спутника по «картошечному» эффекту -- вытянутости главной звезды в системе. Но вот ван Керквейка это обстоятельство не остановило: вместо спектра они использовали колебания блеска этой звезды за счет того, что она движется попеременно то от нас, то снова в нашу сторону.

Это явление куда тривиальнее, чем эффект Доплера. Если вам приходилось бегать в дождь, вы наверняка вспомните, что на груди футболка промокает гораздо быстрее, чем со спины: когда собирающая воду поверхность движется навстречу, в единицу времени на нее попадает больше капель. Так же и со светом -- правда, помимо общего числа фотонов у каждого из них и энергия больше («капли» бьют «больнее»). Кроме того (и это уже релятивистский эффект), движущаяся звезда излучает вперед чуть-чуть больше света, чем назад.

При всей простоте заметить это явление куда сложнее: скорость бегуна может составлять несколько процентов от скорости капель, а вот скорость звезды в сравнении со скоростью света -- тысячные доли процента. К счастью, примерно с такой и даже лучшей точностью блеск далеких звезд измеряет Kepler, ведь ему не мешают ни колыхания воздуха в земной атмосфере, ни восходы и заходы Солнца и Луны за горизонт, ни даже изменения чувствительности детекторов за счет потепления днем и похолодания ночью. Телескоп движется по своей собственной орбите вокруг Солнца, непрерывно вглядываясь в один и тот же участок звездного неба, и точность, с которой он определяет блеск, ограничивает лишь квантовая природа света.

Ван Керквейк и его коллеги извлекли из общедоступного архива данных оригинальные кривые блеска KOI-74 и самостоятельно обработали их, вычислив все долговременные тренды в изменении блеска этого объекта. Как и у Роу, у них получилась двугорбая кривая, которую прорезают два глубоких затмения. Однако в отличие от Роу ван Керквейк обратил основное внимание на то обстоятельство, что один из горбов явно выше другого.

По мнению ученых, это как раз эффект мокрой на груди футболки: когда звезда движется в нашу сторону (при этом она развернута длинной стороной «картошки» в картинной плоскости), она чуть ярче, когда идет от нас (и снова повернута длинной стороной) -- чуть тусклее. На эту волну накладываются два «картошечных» горба от поворота к нам то широкой, то узкой стороной.

Амплитуда эффекта -- примерно 0,01%, что Kepler измеряет более чем уверенно. Отсюда сразу следует амплитуда скорости -- примерно 15 км/c. Если подставить ее в законы механики, можно вычислить массу спутника, которая и получилась равной примерно 0,2 массы Солнца.

Кто горбы исправит

Занятно, что на исходной кривой блеска невооруженным глазом видно, что высота горбов двугорбой кривой действительно чередуется. Однако в процессе обработки Роу и его коллеги каким-то образом откорректировали данные так, что в исправленной кривой горбы почти сравнялись по высоте (некоторая асимметрия все-таки осталась). При этом почти втрое снизилась и амплитуда «картофельного» эффекта, а с ним и масса спутника, вызывающего этот эффект. Именно эта кривая и была в исходной статье Роу.

В новой версии своей статьи, появившейся одновременно со статьей ван Керквейка, Роу и его коллеги откорректировали данные обратно, так что асимметрия горбов на них проявилась, «картошечный» эффект подрос, а соответствующая ему оценка спутника увеличилась до 0,1 массы Солнца. Одна десятая массы Солнца -- по-прежнему мало для белого карлика тех размеров и температуры, что получаются из анализа затмений. Но это, похоже, уже и не важно -- самый главный эффект Роу и его коллеги проглядели. Увидели его ван Керквейк с коллегами, которым пришло в голову посмотреть на оригинальные данные.

Отсюда мораль: даже если ты являешься частью команды космической обсерватории и уверен, что лучше других разбираешься в тонкостях обработки полученных ею наблюдений, лучше все-таки верить данным, а не себе. А сами данные лучше держать открытыми, чтобы те, кто не обладает той же уверенностью, могли на них при необходимости взглянуть. И разрешить парадокс, так и не состоявшийся в случае с Kepler.