Крізь терни до екзопланет. Як чоловіки, музика й інші країни допомагають астрономці Ользі Захожай шукати далекі світи

Коли понад 20 років тому десятикласниці Ользі Захожай потрібно було визначитися з підготовчими курсами для вступу до вишу, її батьки висунули три аргументи на користь астрономії.

По-перше, можна побачити світ: наш, земний із його країнами, містами й людьми. Тато — астроном, а мама — хімік. Завдяки роботі обоє свого часу об’їздили весь Радянський Союз. А зараз на адресу Харківської астрономічної обсерваторії, де батько працює директором, щороку надходять запрошення для студентів подаватися до школи спостереження на Канарських островах. Це там, де працюють найпотужніші у світі телескопи. Чому б не почати з цього?

По-друге, на астрономічному факультеті навчаються здебільшого хлопці. Щонайменше, цікава компанія тобі гарантована на студентські роки. Хто знає — може, й на все життя.

А по-третє, астрономія — наука не така вже й складна. Принаймні, якщо порівнювати, наприклад, із теоретичною фізикою.

Ольга повірила, стала астрономкою і сьогодні вже знає точно, чи правду казали тоді батьки.

Чи всі зорі самотні?

Чи хотіла вона ще змалечку вивчати космос, як її батько? Не надто. І чи не передусім саме через нього: поруч людина, яка знає відповіді на всі «космічні» питання, що можуть спасти на думку. Тільки запитуй та уважно слухай.

А втім, і в нього знаходилися відповіді не на всі запитання. Ось, наприклад: чи навколо інших зір обертаються планети, так само як Земля та інші планети обертаються навколо Сонця? Сьогодні це очевидно: так, Сонце не унікальне. У нашій Галактиці незліченна кількість інших зір — і якщо не кожна, то хоча б частина з них мають свої планети, схожі на Юпітер, Венеру, Марс або навіть Землю.

Але на початку 1990-х, коли Ольга навчалася в молодших класах і ставила батькові перші астрономічні запитання, ніхто не бачив жодної планети за межами нашої Сонячної системи та не міг вказати на жодну зорю, навколо якої точно обертається планета. Адже навіть найпотужніший із тодішніх телескопів не міг побачити такий далекий і дрібний за космічними мірками об’єкт — планету. Тому сумніви залишалися: можливо, Сонячна система на зразок нашої — явище унікальне або принаймні дуже рідкісне?

Що і де шукати? 

Однак планети біля інших зір наполегливо шукали. Одним із тих, хто працював у цьому напрямі, був батько Ольги Володимир Захожай. Напрям для науки був зовсім новий, тож роботи — непочатий край. Перш ніж шукати, потрібно зрозуміти, де саме. Зір багато, і вони різні.

І навіть що саме шукати, тобто що таке Планета, що перебуває за межами нашої Сонячної системи, наприклад, обертається навколо іншої зоріекзопланета? Комусь це питання може здатися дивним, а відповідь на нього — очевидною. Та лише у 2006 році астрономічна спільнота змогла домовитися, що в нашій Сонячній системі є планетою, а що нею не є. Так Плутон став карликовою планетою, а кількість відомих планет у Сонячній системі зменшилася з 9 до 8.

Хоча ці та інші теоретичні запитання були вкрай важливими, та тільки «на папері» екзопланету не відкриєш. А спеціального обладнання для цього в Радянському Союзі просто не було. Володимир Захожай був одним із тих, хто шукав шляхи, як створити такі прилади. Проте в 90-х залучити фінансування для дорогих наукових проєктів було практично неможливо.

Світло зір та звук потяга

Приблизно тоді ж, на початку 1990-их, у Швейцарії двоє астрономів — Мішель Майор та його аспірант Дідьє Кело працювали з найточнішим для свого часу оптичним спектрометром. Це прилад, за допомогою якого можна дізнатися, на яких довжинах хвиль випромінюють зорі чи інші космічні об’єкти, або, як кажуть науковці, проаналізувати його спектр. Так можна робити висновки не лише про склад небесного тіла, а й навіть про його поведінку. Наприклад, про рух.

Щоб зрозуміти цей важливий момент, уявімо, що їдемо в потязі. От чуємо звук іншого потяга, який їде сусідньою колією назустріч. У момент, коли він порівняється з нами та почне віддалятися, характер звуку різко зміниться — приблизно так.

Це тому, що звук (як і світло) поширюється хвилями. Якщо чуємо нерухомий об’єкт, хвилі мають одну частоту. Коли цей об’єкт наближається, частота хвиль збільшується і звук змінюється. А коли він віддаляється, частота навпаки зменшується і ми знову чуємо інший звук. У фізиці цей ефект, відомий упродовж понад півтора століття, називається ефектом Доплера.

Його можна спостерігати і з хвилями на воді, і з електромагнітними хвилями — випромінюванням, що надходить до нас від зір. Це явище успішно застосовують в астрономічних дослідженнях. Знаючи, як змінюється спектр світла від зорі, можна вирахувати швидкість, із якою вона наближається чи віддаляється. Для цього й використовуються спектрографи.

Дідьє Кело і Машель Майор обрали майже півтори сотні зір порівняно недалеко від нашої Сонячної системи й розпочали спостерігати за їхніми спектрами.

Музика 

У час,коли швейцарці за крок від великого відкриття, Ольга закінчує початкову школу. Її теж ваблять зорі. А батько налагоджував між ними мости. Батько й донька навіть хотіли разом написати книгу про сузір’я: він розповідатиме про зорі, а вона — про міфи й легенди, які стоять за назвами сузір’їв. Наприклад, про крилатого коня Пегаса, що народився з крові горгони Медузи, коли Персей відтяв їй голову.

До книги, на жаль, руки так і не дійшли. Не біда, бо в житті багато цікавого, крім астрономії. Наприклад, музика.

«У мене є двоюрідна сестра, на сім років старша. Я завжди хотіла бути “як вона”. Коли я вчилася в 5-му класі, вона саме закінчила музичну школу, а ми переїхали до нової квартири, де було місце для піаніно, — розповідає Ольга. —  Батьки сказали: “Хочеш — будь ласка, мамина тітка готова віддати нам піаніно. Але якщо вже піднімемо його у квартиру, на п’ятий поверх, то музичну школу тобі доведеться закінчити”».

Вона закінчила і каже, що в дорослому житті жодного разу не пошкодувала:

«Коли на міжнародних конференціях зустрічаєш колег з інших країн, класична музика часто стає спільною темою для розмов. Серед астрономів багато людей освічених, тому Верді і Чайковського з ними завжди можна обговорити. І після цього до тебе ставляться зовсім інакше».

Канари, Ватикан і Чилі 

Але до того, як перевірити роль музики в житті астрономки, Ольга закінчила фізфак Харківського національного університету ім. Каразіна і переїхала до Києва, де вже десять років працює в Головній астрономічній обсерваторії НАН України.

До спостережної школи на Канарах вона так і не потрапила, зате побувала там на науковій конференції. Крім того, проводила дослідження в Інституті ім. Макса Планка для астрономії (MPIA) в німецькому Гайдельберґу, відвідала Велику Британію, Ватикан, Австралію, Китай та інші країни — загалом понад два десятки. У якихось була на конференціях, а в інших працювала по кілька місяців.

Ольга вважає, що для українського науковця з його зарплатою на рівні касира в супермаркеті такі поїздки далекими країнами — один із важливих стимулів залишатися в науці. Адже піти з неї хоча б в IT-сферу, де платять значно краще, — не проблема, що багато хто й робить.

«Коли їдеш до іншої країни як науковиця — на конференцію або надовше для проведення досліджень, — отримуєш не просто можливість побачити красиве місто. Розумієш, що приїхала сюди з важливою метою, на запрошення місцевих науковців, тобто “ти тут потрібна”», — пояснює вона.

Отже, щодо першого аргументу батьки не обманули.

У сузір’ї Пегаса 

Повернімося поки до спостережень швейцарців. Мішель Майор і Дідьє Кело помітили, що одна із зір в сузір’ї Пегаса ніби коливається: трішки наближається, потім віддаляється. Про це свідчили ті самі зміни у спектрі зорі, пов’язані з ефектом Доплера. До того ж такі рухи були періодичними — один цикл тривав трохи більше, ніж чотири земні доби.

Спочатку вони думали, що це систематична похибка інструменту, тобто він сам якось викривляє інформацію. Але згодом зрозуміли: ці коливання означають, що навколо зорі обертається інший, достатньо масивний об’єкт, завдяки чому зоря то наближується до спостерігача, то віддаляється від нього.

Невдовзі результати Мішель Майор і Дідьє Кело підтвердили інші дослідники й після цього стало зрозуміло: двоє швейцарців справді відкрили першу в історії екзопланету — 51 Пегаса b.

Упродовж наступної чверті століття цей метод, який успішно використали швейцарські дослідники, став найбільш поширеним для пошуку екзопланет, хоча існують інші, які також успішно використовуються. З їх допомогою екзопланети сьогодні відкривають ледве не щотижня, а їхня загальна кількість уже сягає кількох тисяч.

Мішель Майор і Дідьє Кело у 2019-му році розділили між собою половину Нобелівської премії в галузі фізики «за відкриття екзопланети, що обертається навколо сонцеподібної зорі».

51 Пегаса b не подібна до жодної планети в нашій Сонячній системі. За розмірами й будовою вона нагадує газового гіганта Юпітера. Однак, на відміну від нього, розташована дуже близько від свого світила — у 19 разів ближче, ніж Земля від Сонця, і навіть значно ближче, ніж Меркурій від нашого світила. Саме тому цей клас екзопланет називають «гарячими юпітерами».

Через маленьку орбіту рік на таких планетах триває лише кілька земних днів. Вони рідко трапляються в космосі серед інших екзопланет, зате відкривати їх порівняно просто — завдяки великій масі та короткому періоду обертання навколо зорі.

Жіноча справа 

Щодо другого аргументу на користь астрономії батьки також не обдурили.

«З моїх інтерв’ю журналісти чомусь вирізають розповідь про те, що мені подобалося вчитися серед хлопців, — каже Ольга, — але мені здається, це важливо. Гадаю, що якби пішла на якусь іншу спеціальність, де традиційно переважають дівчата, моє навчання не було б таким цікавим. Сьогодні відсотків 90 моїх знайомих — це фізики. Я, звісно, не маю з чим порівнювати, але мені моє оточення дуже подобається».

Перед якими викликами постає жінка в науковій професії, де більшість — чоловіки?

«Ситуації, звісно, бувають різні, але в мене є враження, що жінці в чомусь навіть простіше, ніж чоловіку, — каже Ольга. — Коли почала проводити спостереження в Чилі, то часто стикалася з тим, що чогось не знаю, або виникала якась проблема, і я розуміла, що можу втратити багато дорогого спостережного часу, якщо буду розбиратися сама. У таких випадках — після кількох самостійних невдалих спроб — я зверталася по допомогу до операторів інших телескопів. Це допомагало не просто розв'язувати проблему, а й зробити це швидко. Гадаю, якби була чоловіком, мені б дуже заважало звернутися по допомогу моє его. Ми не мусимо знати все, хоча я зрозуміла це лише з досвідом».

«Нескладна» астрономія 

Сьогодні Ольга Захожай — одна із кількох десятків дослідників у світі, хто так само як Мішель Майор і Дідьє Кело, шукає екзопланети. І єдина в Україні вивчає, як формуються планети. А також шукає нові — методом радіальних швидкостей, який понад чверть століття тому успішно використали двоє майбутніх Нобелівських лауреатів.

Подібна робота немислима без доступу до потужних сучасних приладів, які коштують іноді мільярди доларів. Наприклад, такі як космічний телескоп НАСА TESS, який називають «мисливцем за екзопланетами». На таких прикладах зазвичай може працювати будь-який науковець, але тільки якщо його заявка на спостереження виграє жорсткий конкурс. Це робота для найкращих і найбільш умотивованих.

«Займатися екзопланетами мені порадив батько, — каже Ольга. — Мовляв, напрямок цікавий, водночас не надто складний».

На останніх словах вона усміхається. Каже, що старші колеги теж усміхалися, коли вона розповідала цю історію. Щодо третього аргументу на користь астрономії батько сказав свою правду. Коли ти захоплений пошуком невідомих далеких світів, навіть надскладна справа не видається такою. Але Ольга, схоже, не шкодує, що обрала цей шлях.

Найтемніше місце на Землі 

З 2016 року Ольга проводить свої пошуки на чилійській обсерваторії Ла-Силья. Вона залишається співробітницею Головної астрономічної обсерваторії НАН України, але саме в цьому проєкті представляє Інститут ім. Макса Планка для астрономії (Німеччина).

Про Ла-Силью варто розповісти окремо хоча б коротко. Принаймні тому, що в Україні подібних на неї немає, та й не може бути з об’єктивних причин. Це одна з трьох обсерваторій у Чилі, що входить до складу організації під назвою Європейська південна обсерваторія (ESO) зі штаб-квартирою в німецькому місті Ґархінґ-бай-Мюнхен.

Є щонайменше дві причини, чому астрономічні обсерваторії європейської організації розташовані на іншому боці планети. По-перше, Чилі — це Південна півкуля, де видно небо, абсолютно недоступне ні в Європі, ні в жодній іншій точці Північної півкулі.

А по-друге, в 60-х роках минулого століття, коли споруджувалася Ла-Силья, це було найтемніше місце на планеті — обов’язкова умова для хороших астрономічних спостережень. (Щоправда, нещодавно в сусідньому регіоні побудували автостраду і вночі на обрії можна бачити світлу смужку, яка нагадує мешканцям Ла-Сильї, що так звані блага цивілізації дісталися й сюди, а також банально погіршує умови для роботи).

Тут є близько двох десятків наукових приладів для спостереження за космічними об’єктами, серед яких і FEROS — спектрограф, за допомогою якого можна реєструвати найменші коливання зір, а отже, шукати екзопланети.

«Лише уявіть собі — це прилад, який дозволяє на відстані мільярдів кілометрів зафіксувати, що центр зорі рухається зі швидкістю п’ять або десять метрів на секунду! — каже Ольга. — Самій складно повірити. Але це те, з чим працюю вже не один рік». 

Увага до молодих 

Проєкт, яким керує Ольга, називається Radial Velocity Search for Planets around Young Stars (RV-SPY, або «Пошук планет навколо молодих зір методом радіальних швидкостей»). У ньому група астрономів досліджує понад сотню зір. Більшість із них справді молоді — близько ста мільйонів років.

За кожною з них треба спостерігати впродовж тривалого часу, щоб зібрати інформацію про поведінку спектра з часом. Вона обробляється, і якщо дослідники знаходять періодичні зміни, це дає підстави думати, що зорю щось змушує рухатися. Наприклад, екзопланета.

Але не все так просто. Молоді зорі дуже активні: на них часто утворюються і зникають плями, через що спектр зір змінюється — так, ніби навколо них справді обертається екзопланета. Але якщо зібрати й проаналізувати більше даних, то виявляється, що радість відкриття була передчасною.

Кандидат в екзопланети й щось дуже незвичне 

Про кінцеві результати RV-SPY говорити зарано. Спостереження триватимуть ще кілька років, а аналізуватимуть зібрані дані ще довше. Поки відомо, що одна зоря поводиться так, ніби навколо неї обертається планета, але ці висновки потрібно перевіряти додатково.

Найцікавіше, що навколо кількох зір, за якими спостерігає Ольга, обертаються якісь об’єкти, не схожі на жодні відомі нам.

«Це супутники, але не зрозуміло, які саме. За характером випромінювання — щось середнє між зорями та планетами. Або ми значно помилилися в наших розрахунках, або знайшли щось дуже цікаве», — каже Ольга.

Не залишається нічого іншого, крім почекати й дізнатися, чи справді Ольга Захожай разом із колегами відкрила у космосі щось досі нікому не знане.

***

У 2021 році в Харкові вийшов друком навчальний посібник Володимира та Ольги Захожай «Основи елементарної астрономії». Він призначений для всіх, хто цікавиться космосом, і в ньому також розповідається про екзопланети. На жаль, Володимир Захожай не дожив трохи менш як два роки до цього дня. Тим важливіше для Ольги було завершити роботу над єдиною спільною з батьком книгою. 

Ольга давно не школярка, а серйозна дослідниця, що працює на передовій науки, і повертатися до античних міфів їй ніколи. А втім, вона зі своїм чоловіком Сергієм (батьки таки мали рацію — він фізик), виховують доньку Софію. Тепер донька з мамою і татом читає перші книжки у своєму житті, і зовсім скоро може зацікавитися міфами та їхніми героями. А їх так багато серед зір.