Продолжаем знакомиться с книжкой Натали Каброл.
Предыдущие части выложены в серии.
Открытие экзопланет раздвинуло горизонты поиска жизни ещё дальше. Экзопланету можно определить несколькими способами. Можно воспользоваться методом радиальной скорости. Гравитация планет заставляет звезду колебаться из стороны в сторону. Эти колебания преобразуются в изменения цвета естественного спектра звезды, который слегка синеет или краснеет в соответствии с эффектом Доплера. Можно поискать тень от планеты. Можно регистрировать изменение яркости звезды в момент прохождения планеты между звездой и наблюдателем. Современные мощные телескопы позволяют также маскировать звезду шаблоном и непосредственно наблюдать отражение света звезды атмосферой планеты. Ещё можно воспользоваться теорией Эйнштейна, согласно которой свет далёких звёзд отклоняется действием гравитации. Если свет звезды становится ярче на какое-то время – значит, не обошлось без экзопланеты. Последним способом в списке автора является астрометрия. Это когда регистрируются изменения положения звезды в процессе вращения её вокруг центра тяжести планетной системы.
Три четверти обнаруженных экзопланет удалось установить методом прохода, главным образом потому, что его использовали орбитальные телескопы Кеплер и теперь TESS, специально предназначенные для поиска. На момент издания книги было известно 5573 экзопланеты и 4151 планетных систем в крошечном квадранте нашей Галактики. И эти числа растут почти ежедневно! Ещё свыше 10 тысяч обнаружений ждут подтверждения. Короче, по индукции можно сказать, что на каждую звезду нашей Галактики приходится, по меньшей мере, одна планета. То есть от 100 до 400 миллиардов планет, и это нижняя оценка! Число потенциальных их спутников ещё больше: от 20 до 80 триллионов на Галактику.
Конечно, издали легче всего обнаружить так называемые горячие юпитеры: планеты-гиганты на близкой к светилу орбите. Ещё в 1989 году был найден первый подобный объект на орбите, который 13 лет считали коричневым карликом. В 1990 году в полёт отправился телескоп Хаббл, с помощью которого можно было искать экзопланеты в числе прочих задач. В 1992 году удалось найти твёрдые свидетельства наличия экзопланет в системе пульсара на расстоянии в 2300 световых лет от Солнечной системы. В 2001 году удалось определить и проанализировать атмосферу одной из экзопланет в 150 световых годах от нас.
Дальше – больше. Последовали открытия первых планетных систем. По мере совершенствования техники научились определять и более мелкие объекты, включая экзоспутники. Можно даже судить о присутствии углекислого газа в атмосфере.
В 2003 году в космос ушёл канадский MOST, специализирующийся на астросейсмологии. С помощью его удалось обнаружить горячий юпитер HD 209458 b, у которого нашли водородную атмосферу с примесями углерода, кислорода и водяного пара. Там даже удалось зарегистрировать крупнейший вихрь. Данные наблюдения позволили даже начертить карту других экзопланет. 2009 год стал годом обнаружения первой экзопланеты, состоящей не из газа, а, подобно Земле, камней и металлов. Это сделал французский CoRoT, проработавший с 2006 по 2013 годы.
Ну а потом случилась революция: в полёт отправился Кеплер. Несмотря на все предыдущие успехи, планет, сравнимых с нашей Землёй по составу, размеру и орбите, на тот момент не нашли. За время работы с 2009 по 2018 годы Кеплер нашёл 2662 экзопланеты, и некоторые из них оказались как раз «нашего» типа. И, как уже говорилось ранее, всё это – в крошечном фрагменте нашей Галактики в созвездиях Лебедя и Лиры. Несмотря на поломку телескопа в 2013 году телескоп удалось стабилизировать и продолжить дальнейшие поиски.
В 2018 году в космос ушёл TESS. Он уже ищет в широкой области, составляющей 85% неба. За два десятка лет он должен каталогизировать тысячи экзопланет, включая сотни, размером меньше Земли. С помощью его мы сможем точнее судить о «населённости» планетных систем. В семейство орбитальных телескопов, занимающихся экзопланетами, недавно добавились европейский Хеопс и JWST. Последний разрабатывали аж четверть столетия, закончив в 2021 году. Он является самым амбициозным и сложным орбитальным телескопом, плодом сотрудничества американцев, канадцев и европейцев. Помимо первых галактик и рождающихся звёзд, он ищет и экзопланеты, пригодные для жизни.
В разработке находится Нэнси Грейс Роман, который запустят не позже 2027 года, который будет работать по принципу гравитационной микролинзы (то есть с помощью теории Эйнштейна). Этот проект позволит детектировать экзопланеты, размером лишь в несколько раз превышающие Луну. Также можно попытаться поискать так называемые скитающиеся меж звёздами небольшие планеты-сироты.
Найденные экзопланеты можно разделить на пять групп. Нас, конечно, в первую очередь интересуют каменные планеты землеподобного типа. Если масса такой планеты существенно превышает земную (вплоть до десяти раз), то её называют супер-Землёй или мини-Нептуном. По всей вероятности, такие планеты чаще всего являются океаническими или каменными с тонкой атмосферой. Если планета имеет ещё большую массу, вплоть до массы Нептуна, её называют гикеанами. Название кодирует их состав: это чаще всего водяные океаны с водородной атмосферой. Они являются неплохими кандидатами на поиск биосигнатур в их атмосферах. Следующая группа – нептуноподобные планеты с каменным ядром и водородо-гелиевой атмосферой. И, наконец, многочисленная группа газовых гигантов, состоящих, в основном, из водорода и гелия. Горячие юпитеры на ближних орбитах составляют подгруппу. По-видимому, они образовались за снеговой линией, где аммиак и метан замерзают, а потом дрейфовали на ближнюю траекторию.
Наш Юпитер тоже совершил подобный дрейф, но сформировавшийся за ним Сатурн оттянул его обратно. В процессе своих перемещений он разрушил раннее поколение каменных планет и запустил формирование Меркурия, Венеры и Земли, а также не дал дорасти Марсу. Эти давние события могут сигнализировать о том, что Солнечная система является исключением из общего правила. И действительно, пока мы находим очень мало систем, похожих на нашу. И всё же по новым оценкам мы можем расчитывать на существование воды в жидком виде на каменных планетах как минимум в половине систем звёзд, одного класса с Солнцем. А это 2-3 миллиарда планет!
Кроме звёздных систем, планеты можно найти скитающимися в межзвёздном пространстве. Первую такую одинокую планету обнаружили в 2012 году в районе сотни световых лет от нас. После этого нашли ещё много таких, суммарное число исчисляется сотнями. Как правило, они в несколько раз крупнее Юпитера, весьма молоды и потому достаточно горячи, чтобы их можно было бы обнаружить простым наблюдением в инфракрасном диапазоне. Казалось бы, жизнь невозможно представить себе вне окрестности какой-нибудь звезды. Но даже в Солнечной системе приемлемые условия были обнаружены в самых неожиданных местах. Пока планета-сирота ещё не потеряла своё тепло, на ней может быть и океан, и другие условия для жизни. В такой одним из важных вопросов является, как быстро может появиться жизнь. Можно представить себе планету с плотной водородной атмосферой, которая не выпускает тепло и держит воду в жидком состоянии. Вращающийся вокруг планеты массивный спутник мог бы обеспечить приток тепла путём приливных возмущений. В таких мирах потенциально возможен даже фотосинтез, даже если расстояние от галактического ядра измеряется сотнями световых лет.
Всё меняется: активность звёзд, потоки энергии в их системах и зоны обитаемости. В этом смысле шансы на жизнь у кандадатов-экзопланет не равны. На данный момент известно около шестидесяти планет в обитаемых зонах их родительских звёзд, одна – размером с Марс, а другие – с Землю и больше. Кого-то обжигает излучение и радиация, как, например Kepler-438b в окрестностях красного карлика. Однако жизнь могла бы развиваться в окрестностях типа звёзд, на который до недавнего времени никто не обращал внимания: умирающие звёзды. Когда на нашем Солнце выгорит водород, оно превратится в белого карлика. Оно сильно уменьшится в размерах, но продолжит светить. В 117 световых годах от нас есть подобная звезда: WD1054-226. Регулярные колебания её светимости заставляют задуматься о присутствии в её системе планеты, которая была бы в пределах зоны обитаемости. Если это так, то это молодая планета, поскольку на предыдущих стадиях развития звёзды раздуваются и поглощают близлежащие планеты. Поскольку зона обитаемости у белого карлика уже и ближе к звезде, у этой планеты есть добрых два миллиарда лет для того, чтобы породить жизнь. Наша Земля справилась быстрее.
За эволюцией обитаемости нескольких планет можно наблюдать на примере системы TRAPPIST-1, находящейся от нас на расстоянии 41 светового года в созвездии Водолея. Так вокруг маленького холодного красного карлика, размером с Юпитер, обращаются семь планет, три из которых находятся в зоне обитаемости. Размеры и сравнимы с Землёй и Марсом. Надо сказать, что вероятность образования подобных систем вокруг сверххолодных карликов чрезвычайно высока: от 30 до 45 процентов. Так вот, все семь планет уместились бы между Солнцем и Меркурием. Дальше от звезды – вода замёрзнет. Ближе – всё сожжёт радиация, а ультрафиолет выдует атмосферу.
Больше всех на Землю похожа планета e. Вполне возможно, что на ней есть атмосфера. Да, условия не столь роскошные, как у нас, но учитывая долгое время жизни её звезды, которая в 12 раз меньше Солнца, времени на эволюцию у неё гораздо больше чем у нас: 12 триллионов лет. Так что она – ближайший претендент на то, чтобы стать второй версией нашей Земли.
Мы убедились, что горизонты для поисков внеземной жизни необозримы. Облегчить задачу нам может искусственный интеллект, который поможет сравнить земные условия с тем, что предлагает нам на выбор Вселенная. Он сегодня не только помогает нам профильтровать огромные объёмы данных от телескопов, но и направляет наши будущие поиски и опыты. Схватить жизнь в её разнообразии – непростая задача, требующая комплексного подхода, комбинирующего данные астрономии, биологии, космологии и других отраслей знания. Уже настоящее поколение инструментов невероятно мощное, а завтрашний день принесёт ещё более эффективные средства исследования.