Павел Амнуэль

Далекие сестры Земли

РАССКАЗЫ О НАУКЕ

ПАВЕЛ АМНУЭЛЬ.

ДАЛЁКИЕ СЁСТРЫ

ЗЕМЛИ

С тех пор, как люди поняли, что звёзды на небе вовсе не шляпки гвоздей, вбитых в небесную твердь, они не переставали думать о том, что далеко-далеко вокруг светил могут обращаться планеты, подобные земле, и что на этих планетах возможна жизнь, подобная нашей. а если так, почему бы не существовать и разумным инопланетянам? астрофизики назвали планеты вне Солнечной системы экзопланетами и занялись их поиском и изучением.

Многообразие экзопланет. Иллюстрация NASA.

ИСТОРИЯ ПОИСКА

Солнце — звезда обычная, таких в Галактике около ста миллиардов. Естественно предположить, что и другие звёзды обладают планетными системами. Протопланетые газопылевые диски формируются вместе со звёздами, а потому у немассивных звёзд, возраст которых достигает миллиардов лет, планетные системы уже давно сформировались. Значит, и число «взрослых» планетных систем в Галактике может исчисляться десятками миллиардов. В каждой такой системе наверняка не одна планета, а может, и не один десяток самых разных масс на самых разных расстояниях от центральной звезды.

В прошлом за подобный взгляд на мироздание можно было поплатиться жизнью. Пример тому судьба выдающегося мыслителя эпохи Возрождения Джордано Бруно *. Значительно позднее — в ХIХ и ХХ веках — об экзопланетах начали писать фантасты. Появились даже немногочисленные учёные, которые утверждали, что им удалось обнаружить планету, обращающуюся около другой звезды. Британский астроном Уильям Джейкоб, например, в 1855 году сообщил об открытии планеты у звезды 70 Змееносца. Впоследствии планету «обнаружили» у Летящей Барнарда **; правда, это «открытие» не подтвердилось.

____________________

[* Итальянский астроном Джордано Бруно (1548- 1600) утверждал, что планеты вращаются вокруг Солнца и что таких планет, как Солнце, во Вселенной великое множество. ** См. статью «Летящая» в журнале «Наука и жизнь» № 7, 2017 г.]

Знания об экзопланетах существенно расширились в конце прошлого века, а в начале нынешнего произошёл качественный скачок — на околоземные орбиты вышли специализированные спутники с аппаратурой, способной реально обнаруживать экзопланеты. Главные «ловцы» экзопланет — космические телескопы COROT, запущенный Европейским космическим агентством в 2006 году, и «Кеплер», запущенный NASA в 2009 году. Много открытий удалось сделать в последнее десятилетие с помощью больших наземных телескопов обсерватории Кека на Гаваях, SuperWASP на Канарах и в ЮАР, а также в рамках программы поиска экзопланет HATNet.

Космический телескоп «Кеплер».

Формально первой экзопланетой, существование которой было подтверждено независимыми наблюдениями, стала планета в системе оранжевого субгиганта Цефея. Формально — потому что наблюдения, проведённые в 1988 году канадскими астрономами Брюсом Кэмпбеллом, Гордоном Уолкером и Стефенсо-ном Янгом, подтвердились лишь 14 лет спустя, когда уже были открыты и каталогизированы десятки других экзопланет.

Первой экзопланетой, чьё существование было тогда же и подтверждено, стала громадная планета в системе звезды 51 Пегаса. Её масса превышает массу Юпитера, которая почти в 2,5 раза больше суммарной массы всех остальных планет Солнечной системы. Открыли её в 1955 году Мишель Майор и Дидье Келоз — сотрудники обсерватории Верхнего Прованса. Им повезло: планета расположена близко к своему солнцу (период обращения всего 4,23 суток) и обладает внушительными размерами. Так что обнаружить её было относительно легко.

КАК ОТКРЫВАЮТ ЭКЗОПЛАНЕТЫ?

Существует несколько способов. Наиболее простых — два. Первый: наблюдение лучевых скоростей звёзд. Способ известен давно, но раньше с его помощью искали не экзоплане-ты, а тёмные объекты звёздной массы в двойных системах. Ещё полвека назад астрофизики могли измерять лучевые скорости с точностью до нескольких километров в секунду. Этого было недостаточно, чтобы обнаружить экзопланету, масса которой невелика по сравнению с массой звезды, а поле тяжести очень слабо влияет на движение звезды, определяемое по смещению спектральных линий в результате эффекта Доплера *.

____________________

[* Эффект Доплера — изменение длины волны излучения вследствие движения источника излучения относительно наблюдателя (или движения наблюдателя относительно источника).]

Прохождение экзопланеты GJ 1214 b перед своей звездой в художественном изображении.

Принцип, однако, одинаков: неважно, что искать — невидимую звезду или планету, в обоих случаях тяготение невидимого тела заставляет звезду двигаться неравномерно. Перемещаясь по орбите вокруг общего центра масс, она то удаляется от наблюдателя, то приближается к нему. Линии в её спектре смещаются (из-за эффекта Доплера) то в более длинную сторону, когда звезда удаляется, то в более короткую, когда звезда приближается. Эффект этот связан с периодом обращения двух тел — видимой звезды и тёмного объекта — вокруг общего центра масс.

Если известна масса видимой звезды, то по величине смещения линий, зная период обращения, можно определить массу невидимки. Чем больше смещение линий, тем массивнее невидимка. Естественно, большее смещение измерить легче и, значит, более массивное невидимое тело обнаружить проще. А чем меньше период обращения, тем легче наблюдать — не нужны очень длительные экспозиции. Если период составляет десятки суток, то, чтобы его зафиксировать, наблюдать нужно хотя бы пару сотен дней. Используя метод измерения лучевых скоростей, астрономы нашли множество двойных звёздных систем, а когда техника наблюдений позволила определять очень небольшие изменения скорости (метр в секунду и даже меньше), стало возможно открывать экзопланеты. Так была обнаружена уже упомянутая массивная планета в системе 51 Пегаса.

Гораздо больше экзопланет нашли с помощью другого метода: не по изменениям скорости движения звезды, а по изменению её видимого блеска. Если в системе есть планета, то может случиться, что, двигаясь по орбите, она окажется на какое-то время точно между наблюдателем и звездой. Так, Венера и Меркурий время от времени проходят перед солнечным диском, и это можно видеть даже без телескопа, если воспользоваться закопчённым стеклом. Конечно, планета по размерам много меньше звезды и затмевает лишь очень незначительную её часть. Но сейчас можно обнаруживать изменения яркости звезды на очень малые доли процента, чем астрофизики и воспользовались. Легче обнаружить планеты, близкие к звезде. Во-первых, они затмевают бульшую часть звезды, яркость её во время прохождения планеты перед звёздным диском уменьшается на бульшую величину. Во-вторых, как и в случае измерения лучевых скоростей для близких к звезде планет, не нужны длительные сеансы наблюдений: период в несколько часов заметить проще, чем период в несколько десятков дней.

Наблюдая прохождения планеты по диску звезды, невозможно определить её массу, но зато можно довольно точно вычислить её размер. На самом деле методом лучевых скоростей определяется не сама масса планеты, а её нижний предел, поскольку в формулу для расчёта входит неизвестная заранее величина угла наклона орбиты по отношению к наблюдателю. У второго метода другая проблема: прохождение планеты перед диском звезды можно наблюдать только тогда, когда плоскость её орбиты практически точно проходит через глаз наблюдателя. Зато если удаётся наблюдать и прохождения планеты, и изменения лучевых скоростей звезды, то можно достаточно надёжно вычислить её массу и размер. Зная массу и радиус планеты, легко вычислить среднюю плотность вещества, из которого она состоит.

Есть и другие, менее популярные методы поиска экзопланет. Например, микролинзирование. Метод основан на том, что луч света, который в пустоте движется строго по прямой, искривляется вблизи массивного небесного тела. Будь это галактика, звезда или планета, тяготение заставляет луч света отклониться от прямой примерно так же, как обычная выпуклая стеклянная линза фокусирует световые лучи, заставляя их сходиться в одной точке. Приставка «микро» означает, что эффект обычно чрезвычайно мал, особенно если речь идёт о планете в далёкой звёздной системе. Тем не менее при нынешних возможностях астрономических наблюдений можно обнаружить искривление светового луча не только звездой (Солнцем, например, как это наблюдали в 1919 году, доказав тем самым справедливость общей теории относительности), но и достаточно массивной планетой, обращающейся около этой звезды. Лучше всего метод работает, если искать одиночные планеты, когда-то выброшенные из своих звёздных систем и блуждающие в космическом пространстве. Планеты земной массы методом микролинзи-рования обнаружить не удаётся — слишком слаб эффект (но в будущем это должно получиться!), а планеты с массой Юпитера и более массивные отыскать вполне возможно. Первые несколько одиночных экзопланет в нашей Галактике обнаружили таким способом в 2011 году.

Метод микролинзирования недавно использовали в попытке доказать, что и в других галактиках есть экзоплане-ты. Сами планеты, конечно, не видны. Доказательство косвенное, но достаточно убедительное. Астрофизики из университета Оклахомы проанализировали излучение квазара RX J1131-1231. По пути от квазара к нам свет (точнее, речь идёт о рентгеновском излучении) прошёл через безымянную галактику, расположенную на расстоянии 3,8 миллиарда световых лет от Земли и послужившую гравитационной линзой. Полученные данные лучше всего объясняются присутствием в галактике огромного числа тел планетарной массы. По оценкам учёных, на каждую звезду главной последовательности в этой галактике приходится около двух тысяч тел планетной массы — от массы Луны до массы Юпитера. Причём эти экзопланеты находятся вне звёздных систем — в межзвёздном пространстве.

Экзопланета газовый гигант в художественном изображении.

Экзопланеты сейчас открывают практически каждый день, поэтому трудно назвать количество уже известных. По данным на 11 ноября 2017 года, число их достигло 3704, но за прошедшие четыре месяца новых экзопланет стало, возможно, уже на сотню-другую больше. Пока чаще всего открывают по одной планете в звёздной системе, тем не менее в 621 из них уже обнаружили по две, три планеты и более. В системе Trappist-1, например, известно семь планет, и это не предел! А ещё есть большой список предполагаемых экзопланет, существование которых пока надёжно не подтверждено. Таких «кандидатов» сейчас около пяти тысяч. Чтобы доказать, что эти планеты реально существуют, нужно провести дополнительные наблюдения. Возможно, отдельные данные окажутся ошибочными, но в большинстве случаев наблюдения будут подтверждены и новые экзопланеты пополнят каталог.

Горячий юпитер в художественном изображении.

КАКИЕ ОНИ?

Когда открыли первые несколько десятков экзопланет, стало ясно, что они представляют собой массивные горячие тела с температурой в сотни Кельвинов и массой больше, а то и много больше массы Юпитера. Их так и назвали: горячие юпитеры. Располагались они близко к своим звёздам, периоды обращений составляли всего несколько часов. Конечно, это был результат наблюдательной селекции, а вовсе не свидетельство того, что все экзопланеты массивные и горячие. Большие по размерам и близкие к звезде планеты легче обнаружить методом прохождения или с помощью эффекта Доплера.

По мере того как совершенствовалась техника наблюдений и особенно после запуска главного «ловца» экзопланет, спутника «Кеплер», в «ловушку» стали попадаться менее массивные и более далёкие от своих звёзд планеты. Выяснилось, как, в принципе, и ожидали учёные, что число горячих юпитеров не так уж велико и что в звёздных системах гораздо больше планет с массами, ненамного превышающими массу Земли. Сейчас, когда каталогизировано уже около четырёх тысяч экзопланет, можно провести систематизацию и разделить эти объекты на типы и подтипы.

Классификацию экзопланет, быстро получившую признание, предложили астрофизик из Аризонского университета Давид Сударский и его коллеги. Они разделили экзопланеты на два типа — газовые и землеподобные (каменные). Газовые различают по их массе: холодные и горячие юпитеры, холодные и горячие нептуны, водные и ледяные гиганты и ещё несколько более экзотических, как, например, су-перюпитеры с огромной, почти звёздной массой. Планеты земного типа тоже разделены на группы: мегаземли (имеют массу в несколько раз больше земной, но «недотягивают» до планет типа Нептуна); планеты-океаны, планеты железные и углеродные, покрытые лавой и пустынные. Астрофизики не могут (пока, во всяком случае) непосредственно наблюдать поверхность экзопланеты. О её характеристиках они судят по косвенным признакам. Например, определить, что планета состоит в основном из достаточно тяжёлых элементов вроде железа, можно, зная её массу и размеры, а следовательно, и среднюю плотность вещества.

Первый горячий Нептун — экзопланету массой 14 масс Земли — обнаружили в системе Жертвенника (созвездия южного полушария неба). Она совершает оборот вокруг звезды за 9,55 суток и расположена в 11 раз ближе к ней, чем Земля к Солнцу. А горячим нептуном планету называют потому, что температура на поверхности достигает 900 К.

Наблюдательных данных о кандидатах в экзопланеты накопилось так много, что специалисты не успевают их быстро обработать. Они подключают к этой работе любителей (проект «Planet Hunters»), которые, пользуясь информацией, опубликованной в интернете, обнаружили несколько десятков «упущенных» специалистами экзопланет.

Гипотетически существующий тип экзопланет — планета-океан с двумя спутниками.

ЕСТЬ ЛИ ЖИЗНЬ НА ЭКЗОПЛАНЕТАХ?

У каждой экзопланеты свои особенности, каждая даёт новые знания о физике планет, помогает строить и проверять теории происхождения и эволюции планетных систем. Учёных, не говоря уже просто о читателях, конечно, интересует вопрос, есть ли на экзопланетах жизнь и, возможно, разум. Чтобы найти ответ, нужно сначала определить, какие планеты (не только вне Солнечной системы, но и «у нас дома») пригодны для появления жизни, похожей на земную. Ведь только о земной жизни мы знаем, как она устроена, какие признаки отличают Землю от, скажем, Плутона, где жизнь возникнуть не могла.

Самое главное: экзопланета должна иметь массу, близкую к массе Земли, располагаться примерно на таком же расстоянии от своей звезды, как Земля от Солнца, и температура на её поверхности должна быть в пределах, допустимых для жизни. Иными словами, чтобы вода могла существовать в жидком состоянии, потому что без воды жизнь земного типа невозможна.

В каждой планетной системе можно выделить область, которую называют зоной жизни (habitable zone). В Солнечной системе внутренняя граница этой зоны находится вблизи орбиты Венеры, а внешняя — в районе орбиты Марса. На Венере слишком жарко и вода закипает. Дальше Марса слишком холодно и вода замерзает. В других планетных системах расположение зон жизни может быть иным. Если звезда менее массивна, чем Солнце, и излучает меньше энергии, то зона жизни ближе к звезде. Если звезда массивная и излучает много энергии, зона жизни, естественно, отодвигается от неё на более далёкое расстояние.

Первые экзопланеты, расположенные в пределах зоны жизни, открыли в 2012 году. Сейчас их известно больше десятка. Но говорить о том, что на них есть жизнь, пока слишком рано. Нужно прежде всего выяснить, соответствует ли эта планета критериям, которые называются биомаркерами. Биомаркеров минимум пять. Мало сказать, что, если планета находится в зоне жизни, на ней может быть вода. Нужно действительно обнаружить воду в атмосфере или на поверхности планеты. Не исключено, конечно, что вода есть где-то в её недрах, но такая вода вряд ли поможет зарождению жизни.

Другие необходимые биомаркеры: наличие кислорода, озона, углекислого газа и метана. Определять присутствие этих газов в атмосферах экзопланет учёные пока не могут — нет соответствующей аппаратуры. Обнаружение одного из названных газов ещё не свидетельствует о том, что на планете с высокой долей вероятности существует жизнь. Чтобы утверждать это, необходимо присутствие всех четырёх газов и воды. К тому же масса планеты должна быть близка к массе Земли.

Ни одной экзопланеты, отвечающей всем перечисленным критериям, пока не обнаружено. Конечно, это не означает, что их нет. Наверняка есть, и в будущем, когда позволит техника, такие экзопланеты можно будет увидеть и вести за ними наблюдение. По предварительным оценкам, в Галактике, возможно, существуют миллионы звёздных систем с землеподобными планетами, отвечающими всем перечисленным критериям. Миллионы!

Возможно, жизнь, хотя бы в зачаточном состоянии, существует не на экзопланетах, а на их больших спутниках. Сегодня искать спутники экзопланет — почти невыполнимая задача (и всё-таки поиски уже ведутся!), но в будущем и такие наблюдения станут обычным делом. Во всяком случае наши знания о спутниках планет Солнечной системы вселяют оптимизм.

Нам известно, что поверхность Ганимеда, Европы и Каллисто — спутников Юпитера — покрыта многокилометровой толщей льда, под которой, не исключено, есть жидкая вода. В атмосфере Титана, спутника Сатурна, присутствует метан, а на поверхности текут метановые реки. По размерам эти спутники не уступают Луне (кстати, вода, возможно, есть и под лунной поверхностью). Можно предположить, что жизнь могла зародиться на них, даже если экзопланета расположена за пределами зоны жизни. Ведь спутник может, например, нагреваться изнутри за счёт действия приливных сил со стороны планеты, если расположен достаточно близко к ней.

ЭКЗОПЛАНЕТЯНЕ, АУ!

Если на экзопланетах возможна жизнь, подобная нашей, естественно предположить, что оттуда на Землю могут прилететь (а может, уже прилетали) чужие звездолётчики. Говорить об этом, конечно, преждевременно. И вот почему.

Перечисленные условия необходимы, но далеко не достаточны для появления жизни на планете. Есть множество других критериев. Наличие у планеты тяжёлого спутника, например. Если бы не Луна, тектоническое развитие Земли задержалось бы на миллиарды лет. Недостаточно также, чтобы на планете в принципе была вода. Её должно быть ровно столько, сколько требуется для развития жизни. Если бы воды на Земле оказалось меньше, то углекислый газ накапливался бы в атмосфере и сильный парниковый эффект проявился бы ещё в архее (4-2,5 млрд лет назад), а значит, условий для появления жизни возникнуть не могло. Если бы свободного железа было меньше, планета покрылась бы водой и превратилась в один сплошной океан, а если больше, в атмосфере не смог бы накопиться свободный кислород. При нехватке азота Земля стала бы ледяной планетой. А если бы ядро нашей планеты было меньше, магнитное поле могло оказаться очень слабым или вовсе отсутствовать (у Марса, например, нет магнитного поля). Тогда жизнь, однажды возникнув, всё равно быстро бы закончилась в результате воздействия космической радиации, от которой нас защищают магнитные пояса Ван Аллена *.

[* Пояса Ван Аллена — радиационные пояса вокруг Земли на высоте от 500 до 1300 км, содержащие заряженные частицы космических лучей и солнечного ветра, захваченные магнитным полем Земли. Открыты американским физиком Джеймсом Ван Алленом в ходе экспериментов, проводимых во время орбитального полёта космического корабля «Эксплорер 1».]

Все эти и многие другие «если» многократно снижают вероятность того, что жизнь на экзопланетах может развиться в нечто более сложное, чем простые бактерии. Кстати, пока нельзя даже более или менее надёжно оценить вероятность зарождения жизни на самой Земле. Образовались ли первые простые живые организмы здесь или были занесены из космоса, как утверждает гипотеза панспермии **? Скорее всего, возникновение жизни даже на планетах, подобных Земле и расположенных в зоне жизни, не общее правило, а счастливое исключение.

____________________

[** Гипотеза панспермии предполагает возможность появления жизни на Земле в результате попадания на её поверхность биологического материала из космического пространства.]

Давайте пофантазируем и допустим, что жизнь на экзопланете возникла. Сколько опасностей поджидает первичные живые организмы! Жизнь на Земле тоже много раз оказывалась под угрозой (извержения супервулканов, падения астероидов, аномально сильные вспышки на Солнце) и действительно могла быть уничтожена, если бы не счастливые случаи. Сколько таких везений было за миллиарды лет эволюции!

Вот самый «свежий» пример. Считается, что динозавры погибли 65 миллионов лет назад в результате падения гигантского астероида размером с небольшой город. Астероид упал в Центральной Америке, на полуостров Юкатан, где было аномально много углеводородов и серных соединений. Именно поэтому после столкновения астероида с Землёй в атмосферу попало огромное количество сажи. В результате солнечный свет померк, средняя температура быстро упала на 10 градусов и динозавры, не выдержав резкого изменения климата, погибли.

А если бы астероид упал в другом месте? Японские учёные подсчитали вероятность падения астероида именно туда, где концентрация углеводородов и серы была аномально высока — 1:8. Иными словами, был только один шанс из восьми, что динозавры вымрут и на Земле наступит царство млекопитающих. Человечеству этот шанс выпал.

За долгую историю планеты таких «везений» были десятки, а может, и сотни, но каждый раз шанс выжить у предков человека был невелик. Насколько же ничтожной можно считать общую вероятность того, что, однажды возникнув, жизнь на Земле разовьётся до уровня «хомо сапиенс»? Надежд на то, что в других звёздных системах всё сложится так же хорошо, ещё меньше. В Галактике, как уже говорилось, больше миллиона планет, подобных Земле, находится в зоне жизни. Но ведь и вероятность того, что жизнь на какой-то из них благополучно доэволюционирует до уровня разума, может оказаться меньше одной миллионной!

Хотелось бы надеяться, что это не так и на многих экзопланетах живут разумные инопланетяне. Но не исключено, что человечество одиноко на просторах Галактики.

А может, существует разум другого типа? Жукеры, как в «Игре Эндера»? Разумный океан, как в «Солярисе»? Всё может быть…

«Наука и жизнь» № 3, 2018.

This file was created

with BookDesigner program

bookdesigner@the-ebook.org

20.03.2018

Content

Павел Амнуэль
Далекие сестры Земли

РАССКАЗЫ О НАУКЕ ПАВЕЛ АМНУЭЛЬ. ДАЛЁКИЕ СЁСТРЫ ЗЕМЛИ

Многообразие экзопланет. Иллюстрация NASA. ИСТОРИЯ ПОИСКА

Космический телескоп «Кеплер».

Прохождение экзопланеты GJ 1214 b перед своей звездой в художественном изображении.

Экзопланета газовый гигант в художественном изображении.

КАКИЕ ОНИ?

Гипотетически существующий тип экзопланет — планета-океан с двумя спутниками.

ЭКЗОПЛАНЕТЯНЕ, АУ!