Мисливиця на екзопланети. Як під час війни українська дослідниця Ольга Захожай відкрила важливу для науки планету

Міжнародна група дослідників на чолі з українською астрофізикинею Ольгою Захожай, яка від початку повномасштабної війни працює в Німеччині, відкрила екзопланету, розташовану на відстані понад 300 світлових років від нас.

Екзопланети, тобто планети, що обертаються навколо інших зір, сьогодні дослідники відкривають ледве не щотижня. Але це відкриття важливе й цікаве принаймні з двох причин.  

По-перше, ця екзопланета особлива. Вона наймолодша з планет, для яких науковцям вдалося поміряти масу і радіус. Це робить її особливо цінною з наукового погляду. По-друге, саме для українського дослідника чи дослідниці відкривати екзопланети вкрай складно з об'єктивних причин – для цього потрібне унікальне наукове обладнання, про яке в Україні можна хіба що мріяти. Єдиний спосіб здійснити таке відкриття – знайти доступ до однієї з сучасних обсерваторій за кордоном. 

УП. Життя розповідає, як це вдалося Ользі Захожай, як вимушений переїзд до Німеччини вплинув на її життя і роботу, а також про важливість її відкриття для науки. 

Поруч із Кентавром 

"Я ніколи не бачила "свої" зорі неозброєним оком і ніколи не намагалася", – каже Ольга.

І додає, що, нехай це звучить дивно, але далеко не всі сучасні астрономи знають сузір'я і можуть сказати, в якому з них розташована та чи інша зоря. Для сучасної астрономії це далеко не найважливіша інформація. 

На щастя, завдяки пресрелізу німецького Інституту ім. Макса Планка з нагоди цього відкриття ми знаємо, що зоря, навколо якої обертається нова екзопланета, розташована поруч із сузір'ям Кентавра. Це у південній півкулі неба, тому з території України його неможливо побачити. Зате можна побачити з Чилі, де проводила свої спостереження Ольга. 

Сузір'я Центавра. Зображення: Starry Night Education

Навколо світу за зорями  

В українських астрономів ті ж складнощі та проблеми, що й в інших наших науковців – низькі зарплата, престиж професії у суспільстві та мізерне фінансування наукових проєктів. Але є безперечні переваги – можна побачити пів світу завдяки конференціям та міжнародним науковим проєктам. Ольга каже, що це один із тих "якорів", які щоразу тримали її у професії, коли вона хотіла піти в IT, чи ще кудись, де нормально платять. 

Завдяки роботі вона об'їздила понад два десятки країн, побувала у Ватикані, в Австралії, Китаї і на Канарах (там, до речі, не лише відпочивають, а й проводять астрономічні спостереження на надпотужних телескопах). В деяких країнах їй пощастило попрацювати певний час, але до сьогодні основним місцем її роботи залишається Головна астрономічна обсерваторія НАН України. 

Небо здається таким  великим

У 2016-му році вона приєдналася до групи астрономів з Інституту ім. Макса Планка для астрономії (MPIA) в німецькому Гайдельберґу, які займалися пошуком екзопланет. В Україні такі дослідження проводити неможливо, оскільки для цього потрібні потужні телескопи та спеціальні інструменти, яких в Україні немає. Натомість Інститут ім. Макса Планка має доступ до обсерваторії Ла-Силья у чилійській пустелі Атакама, де все це є. Так Ольга потрапила у найтемніше місце на Землі, як і годиться сучасній астрономічні обсерваторії. 

– Коли повний місяць, там серед ночі видно кольори і видно власну тінь на землі, – розповідає Ольга. – Поки йдеш від спостережної кімнати до телескопу через пустелю і бачиш цю тінь, небо здається таким  великим, а ти сама – зовсім маленькою. 

Українська дослідниця Ольга Захожай

Парад  планет  

Відкриттям нових екзопланет сьогодні складно когось здивувати. Чи не щотижня можна прочитати в новинах, що астрономи відкрили якусь нову. Широкий загал особливо звертає увагу на ті, що подібні до нашої Землі – мають подібну масу і розміри, а також не надто холодні чи надто гарячі. Це й не дивно, адже принаймні теоретично там може бути життя, подібне до нашого земного. 

Інші екзопланети привертають нашу увагу навпаки тим, що дуже відрізняються від будь-якої планети в нашій Сонячній системі. Наприклад, є такі, де рік триває лише кілька земних днів. 

Але для Ольги та кількох десятків її іноземних колег, які займаються пошуками екзопланет, вони цікаві не тільки і не стільки кожна окремо. Чим більше різних за розмірами, масою та віком екзполанет біля різних зір вони мають, тим краще можуть зрозуміти, як утворюються та еволюціонують зоряні системи. 

Слідом за нобелівськими лауреатами

Лише якихось 30 років тому дослідникам було значно складніше, адже вони могли вивчати одну-єдину зоряну систему у Всесвіті – нашу. Інших зір із планетами ніхто не знав і навіть не було абсолютної впевненості, що вони взагалі існують.

Доводилося припускати, що  наша Сонячна система – абсолютно унікальне явище у Всесвіті. Але у 1995-му році ми дізналися, що це точно не так. 

Того року у Швейцарії двоє астрономів – Мішель Майор та його аспірант Дідьє Кело помітили, як одна зоря в сузір'ї Пегаса дивно поводиться: вона ніби коливається – трішки наближається, а потім віддаляється від нас.

Дослідники перебрали всі можливі варіанти пояснення й зупинилися на тому, що зорю "хитає" масивна планета, яка обертається навколо неї. Це була перша відома нам екзопланета – 51 Пегаса b. В 2019-му році  Мішель Майор та Дідьє Кело отримали за це Нобелівську премію з фізики. 

Чому сучасні астрономи не бачать зір 

Сто чи двісті років тому астроном міг подивитися в телескоп і відкрити досі невідоме науці небесне тіло – супутник Юпітера, Сатурна чи якийсь астероїд, або комету. Сьогодні таке все ще можливо, але не у випадку з екзопланетами, бо частіше за все їх взагалі неможливо побачити в прямому сенсі.

При відносно невеликих розмірах вони надто далеко, щоб  розгледіти їх навіть у найпотужніший телескоп. До того ж зовсім поруч з ними розташовані яскраві зорі, що "засліплюють" спостерігача наче електросамокат, який увечері їде назустріч пішоходу. 

Щоб знайти екзопланету, треба певний час спостерігати за поведінкою зорі – як змінюються характеристика її випромінювання, кількість світла від неї тощо. Для цього потрібен не лише потужний телескоп, але й спеціальні інструменти, які замінюють очі спостерігача і збирають потрібну досліднику інформацію. Потім астроном аналізує зібрані дані, проводить обчислення і робить висновок – має зоря планету, чи ні. Якщо так, намагається розрахувати її масу, розміри та орбіту. 

Це і є одне з головних пояснень, чому сучасному досліднику космосу зовсім не обов'язково піднімати очі до нічного неба і шукати на ньому зорі. В більшості випадків їх просто не видно.  

Здається, це нова екзопланета 

Ольга разом із колегами обрали трішки більше сотні молодих зір і почала спостереження. Кілька разів вона особисто для цього їздила на Ла-Силью. Але після того, як навесні 2020-го року розпочалася пандемія коронавірусної інфекції, а пізніше влітку в неї народилася донька, науковиця почала координувати спостереження дистанційно з штатними співробітниками обсерваторії. Саме так – в астрономії, як в багатьох інших професіях, сьогодні можна працювати дистанційно.  

Вже кілька років тому Ольга побачила ознаки того, що в однієї зорі, за якою спостерігає її  команда, може бути екзопланета. Проблема в тому, що зорі самі по собі часто можуть поводитися так, ніби в них є планети. Особливо коли йдеться про молоді, які досліджувала Ольга. 

Для впевненого висновку їй потрібно було більше спостережних даних, а також додаткову інформацію про поведінку зорі з інших наукових проєктів. Тому екзопланета мусила чекати свого відкриття. 

Щоб знайти екзопланету, треба певний час спостерігати за поведінкою зорі – як змінюються характеристика її випромінювання, кількість світла від неї

В гостях не з власної волі

Зранку 24-го лютого цього року Ольга прокинулася у своїй київській квартирі, взяла до рук телефон і побачила безліч повідомлень від колег і знайомих з різних країн світу. Вони не тільки переживали за неї, але й пропонували допомогу. Її запрошували працювати на Тенеріфе на Канарських островах та у Сантьяго в Чилі. Але вона обрала Німеччину як знайомий та найбільш зрозумілий для себе варіант. 

У Києві Ольга залишила чоловіка, який так само науковець – фізик. А сама з маленькою донькою та мамою вирушила до Гайдельберґу. Мама спочатку хотіла будь-що залишатися вдома, хоча з першого дня повномасштабної війни бачила її з вікна своєї харківської квартири. Але Ольга сказала, що в іншій країні сама без чоловіка не впорається з дитиною. На цьому мама здалася. 

На угорському кордоні Ольгу з її рідними зустріли двоє німецьких колег і автівкою довезли до Гайдельберґа. Тут Ольга отримала тимчасове житло в інститутському гостьовому будинку і посаду гостьового науковця в Інституті ім. Макса Планка. 

– Тут завжди діяло правило, що в будинку можна жити не більше, ніж пів року, – розповідає вона. – Але нам сказали, що ми можемо розраховувати на нього впродовж року. Це дуже доречно, тому що зняти житло в Німеччині на термін до року дуже складно. Якщо на довше, то простіше, але я не знаю, чи зможу залишитися тут, в Гайдельберґу, чи буду працювати десь у іншому місці.

Загалом із чотирьох квартир у цьому будинку сьогодні три займають українські науковці. 

Роль бабусі в пошуках екзопланет 

Впродовж півтора року до переїзду в Німеччину Ольга була не тільки науковицею, але ще й мамою. Величезний обсяг спостережного матеріалу із Чилі залишався неопрацьованим, тому що на нього просто бракувало часу і сил.

Але несподіваний переїзд до Німеччини змінив правила гри. Мама тепер займалася улюбленою онукою, а німецькі колеги робили все можливе, щоб допомогти українській дослідниці в її науковій роботі. Завдяки цій допомозі вона завершила та опублікувала кілька статей, які давно чекали свого часу і нарешті розібралася зі своєю екзопланетою.

Виявилося, що вона не "здається", а справді існує. 

Дуже молодий газовий гігант 

Ця планета – газовий гігант. Тобто вона схожа не на Землю, або Марс, які мають тверду поверхню, а на велетенські планети на зразок Юпітера, які переважно складаються з газів.Тому вони й газові гіганти. 

Вона обертається навколо зорі під назвою HD 114082, розташованої на відстані 310 світлових років від нас. Якщо додати до назви зорі літеру "b" – вийде назва планети –  HD 114082  b. 

Її діаметр майже такий самий як у Юпітера – найбільшої та наймасивнішої планети в нашій Сонячній системі, а маса – у 8 разів більша. За 110 земних днів вона робить повний оберт навколо своєї зорі, тобто, "проживає" один рік. При цьому рухається вона по витягнутій орбіті, удвічі меншій ніж орбіта Землі. А ще ця планета надзвичайно молода за космічними мірками. І це робить її дуже особливою. 

Навіщо так багато екзопланет 

Екзопланети дозволяють астрофізикам зрозуміти, як еволюціонують зоряні системи. Якщо в загальних рисах, то спочатку науковці висувають теорію, що має пояснити, як відбувається еволюція зоряних систем. Потім вони беруть конкретну зорю з планетою і дивляться,  відповідають їхні характеристики теоретичній моделі, чи ні. Якщо відповідають – модель правильна принаймні частково. Якщо ні – треба шукати іншу, кращу модель. Чим більше різних екзопланет є в розпорядженні дослідників, тим краще і точніше вони можуть перевіряти свої теорії. 

Сьогодні відкрито понад 5 тисяч екзопланет – на перший погляд це ніби багато. Але тільки для менш ніж 10% із них дослідники знають і маса, і радіус. Такі планети годяться для перевірки моделей, а решта приблизно 90% мають меншу наукову цінність. Але й це ще не все. 

До останнього часу було відомо лише два газових гіганти коло молодих зір – молодших за 30 мільйонів років. А планета, яку відкрила Ольга разом із її колегами – наймолодша з усіх відомих. Її вік оцінюють приблизно у 15 мільйонів років. Просто для порівняння – вік Землі перевищує 4,5 мільярдів років. Такі молоді зоряні системи мають особливу вагу для перевірки еволюційних моделей. 

Планета проти теорії 

Сьогодні більшість дослідників схиляються до так званої моделі гарячого старту, яка описує формування планет гігантів. Але відкрита Ольгою планета з її масою та радіусом не вписується в цю модель – у своєму віці вона має щільність удвічі або втричі більшу, ніж вона теоретично мала б бути. 

Цей парадокс мусить якось пояснюватися. Або це "неправильний" газовий гігант, який має незвично велике тверде ядро, або сама модель неправильно описує еволюцію зоряних систем. В другому випадку це може означати, що правильною є альтернативна модель холодного старту, яка досі вважалася менш переконливою. 

Яка відповідь правильна – сьогодні не зможе сказати ніхто. Щоб це зробити, потрібно знайти більше таких молодих планет. Якщо вони виявляться такими ж "парадоксальними", як HD 114082  b, тоді астрофізикам справді доведеться переглядати свої теорії. 

Ще багато важливих відкриттів

Під час роботи на Ла-Силья Ольга накопичила величезну кількість інформації – загалом близько 800 годин спостережень. Завдяки ній її команда відкрила екзопланету, але більша частина цієї інформації все ще аналізується, а спостереження тривають. Ольга впевнена, що це дозволить зробити ще не одне важливе відкриття. 

До квітня наступного року вона має можливість працювати в Інституті ім. Макса Планка. Нещодавно вона подала заявку, яка може дозволити продовжити тут роботу ще на кілька років, якщо її затвердять. Ольга каже, що вона мріє повернутися працювати в Україну, хоча  й не має ілюзій щодо перспектив тутешньої науки після завершення війни. 

– В мене є досвід, я вмію працювати з цим матеріалом і вмію керувати подібними дослідженнями, – каже вона. – Звісно, я б хотіла вернутися до України, щоб створити тут свою наукову групу і довести цю роботу до завершення.  

***

Матеріал створено в рамках проєкту "Життя війни" за підтримки Лабораторії журналістики суспільного інтересу та Інституту гуманітарних наук (Institut für die Wissenschaften vom Menschen).

Дмитро Сімонов, спеціально для УП. Життя