Через тернии к экзопланетам. Как мужчины, музыка и другие страны помогают астроному Ольге Захожай искать далекие миры

Три аргумента в пользу космоса 

Когда более 20 лет назад десятикласснице Ольге Захожай нужно было определиться с подготовительными курсами для поступления в вуз, ее родители выдвинули три аргумента в пользу астрономии.

Во-первых, можно увидеть мир: наш, земной с его странами, городами и людьми. Папа — астроном, а мама — химик. Благодаря своей работе оба объездили весь Советский Союз. А сейчас на адрес Харьковской астрономической обсерватории, где отец работает директором, ежегодно поступают приглашения для студентов подаваться в школу наблюдения на Канарских островах. Это там, где работают самые мощные в мире телескопы. Почему бы не начать с этого?

Во-вторых, на астрономическом факультете учатся в основном ребята. По меньшей мере, на студенческие годы интересная компания тебе гарантирована. Кто знает — может, и на всю жизнь.

А в-третьих, астрономия — наука не такая уж и сложная. По крайней мере, если сравнивать, например, с теоретической физикой.

Ольга поверила, стала астрономом и сегодня уже знает точно, правду ли говорили тогда родители.

Все ли звезды одиноки?

Хотела ли она с детства изучать космос, как ее отец? Не очень. И не в первую очередь именно из-за него: ведь рядом есть человек, который знает ответы на все «космические» вопросы, какие только могут прийти в голову. Знай себе спрашивай и внимательно слушай.

Впрочем, ответов на все вопросы не находилось и у него. Вот, например: вращаются ли вокруг других звезд планеты, так же как Земля вращается вокруг Солнца? Сегодня это очевидно: да, Солнце не уникально. В нашей Галактике бесчисленное количество других звезд — и если не каждая, то хотя бы часть из них имеют свои планеты, похожие на Юпитер, Венеру, Марс или даже Землю.

Но в начале 1990-х, когда Ольга училась в младших классах и задавала отцу первые астрономические вопросы, никто не видел ни одной планеты за пределами нашей Солнечной системы и не мог указать ни на одну звезду, вокруг которой точно вращается планета. Ведь даже самый мощный из тогдашних телескопов не может увидеть такой далекий и мелкий по космическим меркам объект — планету. Поэтому сомнения оставались: быть может, звездная система, такая как наша, явление уникальное или по крайней мере очень редкое?

Что искать? Где искать? 

Однако планеты у других звезд настойчиво искали. Одним из тех, кто работал в этом направлении, был отец Ольги Владимир Захожай. Направление для науки был совсем новым, поэтому работы — непочатый край. Прежде чем искать, нужно понять, где именно. Звезд много, и они разные.

И даже что именно искать, то есть такое экзопланета? Кому-то этот вопрос может показаться странным, а ответ на него — очевидным. Но только в 2006 году астрономическое сообщество смогло договориться, что в нашей Солнечной системе является планетами, а что не является. Так Плутон стал карликовой планетой, а количество известных планет в Солнечной системе уменьшилась с 9 до 8.

Хотя эти и другие теоретические вопросы были крайне важными, но только «на бумаге» экзопланету не откроешь. А специального оборудования для этого в Советском Союзе просто не было. Владимир Захожай был одним из тех, кто искал пути, как создать такие приборы. Но в 1990-х найти финансирование для дорогих научных проектов было практически невозможно.

Звездный свет и звук поезда

Примерно тогда же, в начале 1990-х, в Швейцарии двое астрономов — Мишель Майор и его аспирант Дидье Кело работали с самым точным для своего времени оптическим спектрометром. Это прибор, с помощью которого можно узнать, волны какой длины излучают звезды или другие космические объекты, или, как говорят ученые, проанализировать спектр излучения. Таким образом можно делать выводы не только о составе небесного тела, но даже о его поведении. Например, о движении.

Чтобы понять этот важный момент, представим, что мы едем в поезде. Вот слышим звук другого поезда, который едет навстречу по соседней колее. В тот момент, когда он сравняется с нами и начнет удаляться, характер звука резко изменится —  примерно так.

Это потому, что звук (как и свет) распространяется волнами. Если мы слышим неподвижный объект, то волны имеют одну частоту. Если этот объект приближается, частота волн увеличивается и звук меняется. А если он удаляется, частота наоборот уменьшается и мы снова слышим другой звук. В физике этот эффект, известный более полутора веков, называется эффектом Доплера.

Его можно наблюдать и с волнами на воде, и с электромагнитными волнами — излучением, поступающим к нам от звезд. Это явление успешно применяют в астрономических исследованиях. Зная, как меняется спектр света от звезды, можно вычислить скорость, с которой она приближается или удаляется. Для этого и используются спектрографы.

Дидье Кело и Мишель Майор выбрали почти полторы сотни звезд, находящихся сравнительно недалеко от нашей Солнечной системы и начали наблюдать за их спектрами.

Музыка 

Когда швейцарцы были в шаге от большого открытия, Ольга оканчивала начальную школу. Ее тоже манили звезды. А отец налаживал между ними мосты. Отец и дочь даже хотели вместе написать книгу о созвездиях: он будет рассказывать о звездах, а она — о мифах и легендах, которые стоят за названиями созвездий. Например, про крылатого коня Пегаса, родившегося из крови горгоны Медузы, когда Персей отрубил ей голову.

До книги, к сожалению, руки так и не дошли. Но это не беда, потому что в жизни много интересного, кроме астрономии. Например, музыка.

«У меня есть двоюродная сестра, на семь лет старше. Я всегда хотела быть “как она”. Когда я училась в 5-м классе, она как раз окончила музыкальную школу, а мы переехали в новую квартиру, где было место для пианино, — рассказывает Ольга. —  Родители сказали: “Хочешь — пожалуйста, мамина тетя готова отдать нам пианино. Но если уж поднимем его в квартиру, на пятый этаж, то музыкальную школу тебе придется окончить”».

Она окончила и говорит, что во взрослой жизни ни разу не пожалела:

«Когда на международных конференциях встречаешь коллег из других стран, классическая музыка часто становится общей темой для разговоров. Среди астрономов много людей образованных, поэтому Верди и Чайковского с ними всегда можно обсудить. И после этого к тебе относятся совсем иначе».

Канары, Ватикан и Чили

Но до того, как проверить роль музыки в жизни астронома, Ольга окончила физфак Харьковского национального университета имени Каразина и переехала в Киев, где уже десять лет работает в Главной астрономической обсерватории НАН Украины.

В наблюдательную школу на Канарах она так и не попала, зато побывала там на научной конференции. Кроме того, проводила исследования в Астрономическом институте им. Макса Планка (MPIA) в немецком Гейдельберге, посетила Великобританию, Ватикан, Австралию, Китай и другие страны — всего более двух десятков. Где-то была на конференциях, а где-то работала по несколько месяцев.

Ольга считает, что для украинского ученого с зарплатой на уровне кассира в супермаркете такие поездки в дальние страны — один из важных стимулов оставаться в науке. Ведь уйти из нее хотя бы в IT-сферу, где платят значительно лучше, — не проблема, что многие и делают.

«Когда едешь в другую страну как исследовательница — на конференцию или на более долгое время для проведения исследований, — получаешь не просто возможность увидеть красивый город. Понимаешь, что приехала сюда с важной целью, по приглашению местных ученых, то есть “ты здесь нужна”», — объясняет она.

Так что, по первому аргументу родители не обманули.

В созвездии Пегаса

А пока вернемся к наблюдениям швейцарцев. Мишель Майор и Дидье Кело заметили, что одна из звезд в созвездии Пегаса как будто колеблется: чуть-чуть приближается, а затем удаляется. Об этом свидетельствовали те же изменения в спектре звезды, связанные с эффектом Доплера. К тому же такие движения были периодическими — один цикл длился чуть больше четырех земных суток.

Сначала они думали, что это систематическая погрешность инструмента, то есть он сам как-то искажает информацию. Но впоследствии поняли: эти колебания означают, что вокруг звезды вращается другой, достаточно массивный объект, который притягивает ее к себе. Так же, как из-за вращения планет в нашей Солнечной системе колеблется Солнце.

Вскоре результаты Мишеля Майора и Дидье Кело подтвердили другие исследователи и после этого стало понятно: двое швейцарцев действительно открыли первую в истории экзопланету — 51 Пегаса b.

В следующую четверть века метод, который успешно применили швейцарские исследователи, стал самым распространенным для поиска экзопланет, хотя есть и другие, которые также успешно используются. С их помощью экзопланеты сегодня открывают чуть ли не каждую неделю, а их общее количество уже достигает нескольких тысяч.

Мишель Майор и Дидье Кело в 2019 году разделили между собой половину Нобелевской премии в области физики «за открытие экзопланеты, вращающейся вокруг солнцеподобной звезды».

51 Пегаса b не похожа ни на одну планету нашей Солнечной системы. По размерам и строению она напоминает газовый гигант Юпитер. Однако, в отличие от него, расположена очень близко от своего светила — в 19 раз ближе, чем Земля от Солнца, даже ближе, чем Меркурий. Именно поэтому такой класс экзопланет называют «горячими юпитерами».

Из-за маленького диаметра орбиты год на таких планетах длится всего несколько земных дней. Они редко встречаются среди других экзопланет, зато открывать их сравнительно просто — благодаря большой массе и короткому периоду обращения вокруг звезды.

Женское дело 

Что же до второго аргумента в пользу астрономии, то и здесь родители тоже не обманули.

«Из моих интервью журналисты почему-то вырезают рассказ о том, что мне нравилось учиться среди ребят, — говорит Ольга, — но мне кажется, это важно. Думаю, что если бы я пошла на какую-то другую специальность, где традиционно преобладают девушки, мое обучение не было бы таким интересным. Сегодня процентов 90 моих знакомых — это физики. Мне, конечно, не с чем сравнивать, но мне мое окружение очень нравится».

Какие вызовы встают перед женщиной в научной профессии, где большинство — мужчины?

«Ситуации, конечно, бывают разные, но у меня есть впечатление, что женщине в чем-то даже проще, чем мужчине, — говорит Ольга. — Когда я начала проводить наблюдения в Чили, то часто сталкивалась с тем, что чего-то не знаю, или возникала какая-то проблема, и я понимала, что могу потерять много дорогого наблюдательного времени, если буду разбираться сама. В таких случаях — после нескольких самостоятельных неудачных попыток — я обращалась за помощью к операторам других телескопов. Это помогало не просто решить, но и сделать это быстро. Думаю, если бы была мужчиной, мне бы очень мешало обратиться за помощью мое эго. Мы не должны знать все, хотя я поняла это только с опытом».

«Несложная» астрономия 

Сегодня Ольга Захожай — одна из нескольких десятков исследователей в мире, кто так же как Мишель Майор и Дидье Кело, ищет экзопланеты. И единственная в Украине изучает, как формируются планеты. А также ищет новые — методом радиальных скоростей, который более четверти века назад успешно использовали два будущих Нобелевских лауреата.

Подобная работа немыслима без доступа к мощным современным приборам, которые иногда стоят миллиарды долларов. Например, такие, как космический телескоп NASA TESS, который называют «охотником за экзопланетами». На таких приборах обычно может работать любой ученый, но только если его заявка на наблюдение выигрывает жесткий конкурс. Это работа для лучших и самых мотивированных.

«Заниматься экзопланетами мне посоветовал отец, — говорит Ольга. — Мол, направление интересное, но и не слишком сложное».

На последних словах она улыбается. Говорит, что старшие коллеги тоже улыбались, когда она рассказывала эту историю. В третьем аргументе в пользу астрономии отец сказал правду. Когда ты увлечен поиском неизвестных дальних миров, даже сложнейшее дело не кажется таковым. Но Ольга, похоже, не жалеет, что выбрала этот путь.

Самое темное место на Земле 

С 2016 года Ольга проводит свои поиски на чилийской обсерватории Ла-Силья. Она остается сотрудницей Главной астрономической обсерватории НАН Украины, но именно в этом проекте представляет Астрономически институт им. Макса Планка (Германия).

Про Ла-Силью стоит рассказать хотя бы кратко. Например, потому, что в Украине похожих на нее нет, и не может быть по объективным причинам. Это одна из трех обсерваторий в Чили, входящая в состав организации под названием Европейская южная обсерватория (ESO) со штаб-квартирой в немецком городе Гархинг-бай-Мюнхен.

Есть как минимум две причины, почему астрономические обсерватории европейской организации расположены на другой стороне планеты. Во-первых, Чили — это Южное полушарие, где видно небо, совершенно недоступное ни в Европе, ни в одной другой точке Северного полушария.

А во-вторых, в 60-х годах прошлого века, когда строилась Ла-Силья, это было самое темное место на планете — обязательное условие для хороших астрономических наблюдений. (Правда, недавно в соседнем регионе построили автостраду и ночью на горизонте можно видеть светлую полоску, которая напоминает жителям Ла-Сильи, что так называемые блага цивилизации добрались и сюда, а также банально ухудшает условия для работы).

Здесь около двух десятков научных приборов для наблюдения за космическими объектами, среди которых и FEROS — спектрограф, с помощью которого можно регистрировать малейшие колебания света звезд, а следовательно, искать экзопланеты.

«Только представьте себе — это прибор, который позволяет на расстоянии миллиардов километров зафиксировать, что центр звезды движется со скоростью пять или десять метров в секунду! — говорит Ольга. — Самой сложно поверить. Но это то, с чем работаю уже не один год». 

Внимание к молодым

Проект, которым руководит Ольга, называется Radial Velocity Search for Planets around Young Stars (RV-SPY, или «Поиск планет вокруг молодых звезд методом радиальных скоростей»). В нем группа астрономов исследует более сотни звезд. Большинство из них действительно «молодежь» — им около ста миллионов лет.

За каждой из них надо наблюдать в течение длительного времени, чтобы собрать информацию об изменении спектра со временем. Она обрабатывается, и если исследователи находят периодические изменения, это дает основания полагать, что звезду что-то заставляет двигаться. Например, экзопланета.

Но не все так просто. Молодые звезды очень активны: на них часто образуются и исчезают пятна, из-за чего спектр излучения меняется — так, как будто вокруг них действительно вращается экзопланета. Но если собрать и проанализировать больше данных, то оказывается, что радость открытия была преждевременной.

Кандидат в экзопланеты и нечто очень необычное 

Об окончательных результатах проекта RV-SPY говорить рано. Наблюдения будут продолжаться еще несколько лет, а анализировать собранные данные будут еще дольше. Пока известно, что одна звезда ведет себя так, как будто вокруг нее вращается планета, но эти выводы нужно проверять дополнительно.

Самое интересное, что вокруг нескольких звезд, за которыми наблюдает Ольга, вращаются какие-то объекты, не похожи ни на какие известные нам.

«Это спутники, но не понятно, какие именно. По характеру излучения — нечто среднее между звездами и планетами. Или мы сильно ошиблись в наших расчетах, или нашли что-то очень интересное», — говорит Ольга.

Не остается ничего другого, кроме как подождать и узнать, действительно ли Ольга Захожай вместе с коллегами открыла в космосе что-то до сих пор никому не ведомое.

* * *

В 2021 году в Харькове вышло учебное пособие Владимира и Ольги Захожай «Основы элементарной астрономии». Оно предназначено для всех, кто интересуется космосом, и в нем тоже рассказывается об экзопланетах. К сожалению, Владимир Захожай не дожил до сегодняшнего дня чуть менее двух лет. Тем важнее для Ольги было завершить работу над одним общей с отцом книгой. 

Вот только Ольга давно не школьница, а серьезная исследовательница, работающая на передовой науки, и возвращаться к античным мифам ей некогда. Впрочем, она со своим мужем Сергеем (родители оказались правы — он физик), воспитывают дочь Софию. Теперь дочь с мамой и папой читает первые в своей жизни книги, и совсем скоро может заинтересоваться мифами и их героями. А их так много среди звезд.